Techniklexikon

Doppler-Verbreiterung

Atom- und Molekülphysik, Verbreiterung von Spektrallinien aufgrund der Eigenbewegung der emittierenden oder absorbierenden Atome. Bewegt sich ein angeregtes Atom während der Emission eines Photons mit der Geschwindigkeit  v , so ist die Emissionsfrequenz w gegenüber der Frequenz w₀ eines ruhenden Atoms wegen des Doppler-Effekts verschoben (Doppler-Verschiebung):

,

wobei  der Wellenvektor des Photons ist. Da in einem thermischen Gas   v  eine bestimmte Verteilungsfunktion erfüllt (Maxwell-Verteilung), führt dies zu einer Verbreiterung der Spektrallinie. Die resultierende Linienform ist ein Gauss-Profil. Für die spektrale Intensitätsverteilung I(w) einer solchen Linie gilt:

.

wobei  die wahrscheinlichste Geschwindigkeit der Atome nach der Maxwell-Verteilung ist (k_B: Boltzmann-Konstante, T: absolute Temperatur, m: Atommasse).

Eine wichtige Kenngrösse einer solchen Verteilung ist die Halbwertsbreite , die die spektrale Breite der Funktion bei halber maximaler Intensität angibt.

Die gleiche Intensitätsverteilung erhält man auch für Absorptionslinien. Vor allem die Auflösung spektroskopischer Methoden wird durch diesen Effekt verschlechtert. Mit Methoden der modernen Laserspektroskopie ist es jedoch vielfach gelungen, diese Einschränkung zu umgehen.

Doppler-Verbreiterung: Spektrale Intensitätsverteilung einer Doppler-verbreiterten Spektrallinie mit Halbwertsbreite dw_D.