선폭 증대(線幅增大, line broadening)는 분광학에서 스펙트럼선이 이상적인 단일 진동수(선폭 0)가 아닌 일정한 폭을 가지게 되는 현상을 의미한다. 하나의 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 전이가 일어날 때 방출되는 스펙트럼선의 폭이 두 에너지 준위의 자연폭보다 넓어지는 현상으로, 원자·분자의 미시적 성질, 관측 대상의 물리적 환경, 관측 장비의 한계 등 다양한 원인에 의해 발생한다.
선폭 증대는 크게 국부 효과(local effects)와 비국부 효과(non-local effects)로 분류된다.
국부 효과에 의한 선폭 증대는 다음과 같은 종류가 있다.
- 자연선폭증대(Natural broadening): 불확정성 원리에 기인하며, 들뜬 상태의 유한한 수명으로 인해 에너지 준위에 불확정성이 생겨 스펙트럼선이 넓어지는 현상이다. 로렌츠 함수 형태로 나타난다.
- 열적 도플러 선폭증대(Thermal Doppler broadening): 방출 입자의 열운동에 의한 속도 분포로 인해 도플러 효과가 발생하여 선폭이 넓어지는 현상이다. 온도가 높을수록 속도 분포가 넓어져 선폭이 증가하며, 가우스 분포로 기술된다.
- 압력 선폭증대(Pressure broadening): 주변 입자와의 상호작용(충돌, 전기장, 반데르발스 힘 등)에 의해 발생한다. 충격 압력 선폭증대(collisional broadening), 준정적 압력 선폭증대(quasistatic pressure broadening), 선형 스타르크 증폭(Linear Stark broadening), 공명 선대증폭(Resonance broadening), 이차 스타르크 선폭증대(Quadratic Stark broadening), 반데르 발스 선폭증대(Van der Waals broadening) 등으로 세분된다.
- 비균질 선폭 증대(Inhomogeneous broadening): 광자가 서로 다른 국부 환경에서 상이한 진동수로 방출됨으로써 전체 스펙트럼선이 넓어지는 현상을 가리키는 일반적인 용어이다.
비국부 영향에 의한 선폭 증대는 다음과 같다.
- 불투명 선폭증대(Opacity broadening): 방출된 전자기 복사가 매질을 통과하면서 파장에 따라 재흡수되는 정도가 달라 선폭이 변화하는 현상이다.
- 육안적 도플러 선폭증대(Macroscopic Doppler broadening): 발광체의 각 부분이 시선 방향으로 서로 다른 속도를 가질 때, 그 속도 분포에 비례하여 선폭이 넓어지는 현상이다. 회전하는 별이나 플라즈마 등에서 관측된다.
여러 선폭 증대 메커니즘이 동시에 작용할 경우, 각 효과가 독립적이라면 각각의 선형(profile)이 수학적으로 합성(convolution)되어 나타난다. 예를 들어 도플러 증폭과 충격 압력 증폭이 결합하면 보이트 함수(Voigt profile) 형태가 나타난다.
