Doppler-Verbreiterung

Als Dopplerverbreiterung bezeichnet man eine durch den optischen Doppler-Effekt bei der Lichtabsorption oder -emission durch Atome und Moleküle verursachte Verbreiterung der Spektrallinien (siehe Linienverbreiterung).

Die Dopplerverbreiterung wird im Folgenden anhand der Absorption von Photonen beschrieben. Für die Emission gelten dieselben Überlegungen.

Ursache

Besitzt ein Teilchen, beispielsweise ein Atom oder Molekül, eine Absorptionsfrequenz f₀, bedeutet dies, dass es Photonen mit dieser Frequenz absorbieren kann. Dies gilt allerdings nur, wenn das Teilchen sich nicht bewegt. Besitzt es dagegen die Geschwindigkeit v entgegen der Einfallsrichtung des Photons, verschiebt sich durch den optischen Doppler-Effekt die Photonenfrequenz, welche das Teilchen wahrnimmt. Für geringe Geschwindigkeiten ist

$\Delta f \approx f_0 \frac{v}{c}$.

Ein Photon mit der Frequenz f₀ erscheint einem sich dem Photon entgegen bewegenden Teilchen also mit einer erhöhten, einem sich mit dem Photon bewegenden Teilchen mit einer erniedrigten Frequenz. Das bewegte Teilchen absorbiert also Photonen mit einer um Δf veränderten Frequenz.

Durch die thermische Bewegung der Teilchen gibt es immer einige Teilchen, die sich relativ zu den Photonen bewegen und daher bei einer andere Frequenz als f₀ absorbieren. Bei Gasen folgen die Geschwindigkeiten der Teilchen beispielsweise der Maxwell-Boltzmann-Verteilung. Die daraus resultierende Absorptionslinie hat die Form einer Gauß-Kurve. Ihre Breite (Standardabweichung) hängt von der Temperatur T und der Teilchenmasse M ab über

$\sigma_f = f_{0} \sqrt{\frac{kT}{Mc^2}}$

mit Boltzmann-Konstante k

Auswirkungen

Da die Dopplerverbreiterung meist um mehrere Größenordnungen höher als die natürliche Linienbreite ist, erschwert die Dopplerverbreiterung eine hochauflösende Spektroskopie. Sie verhindert beispielsweise das Auflösen der Hyperfeinstruktur von Atomen. Es gibt allerdings moderne spektroskopische Verfahren wie die dopplerfreie Sättigungsspektroskopie, welche durch geschickte Anordnungen die Dopplerverbreiterung ausschalten.

Siehe auch

• Dopplereffekt
• Spektroskopie