도플러 확장

도플러 확장 (Doppler broadening)은 기체, 플라즈마 등에서 빛을 방출하거나 흡수하는 입자들의 운동으로 인해 스펙트럼 선폭이 넓어지는 현상이다. 이는 각 입자가 방출하거나 흡수하는 빛의 도플러 효과 때문에 발생하며, 관찰자의 시선 방향으로 운동하는 입자는 원래의 파장보다 짧거나 긴 파장의 빛을 방출/흡수하게 된다.

원리

개별 입자가 방출/흡수하는 빛의 파장은 입자의 속도에 따라 도플러 효과를 받는다. 입자가 관찰자에게 다가오면 빛의 파장은 짧아지고 (청색 편이), 멀어지면 파장이 길어진다 (적색 편이). 기체나 플라즈마 내의 입자들은 다양한 속도를 가지고 무작위적으로 움직이므로, 방출/흡수되는 빛의 파장은 넓은 범위에 걸쳐 분포하게 된다. 이로 인해 스펙트럼 선은 이상적인 단색광에 비해 폭이 넓어지게 나타난다.

영향 요인

도플러 확장의 정도는 주로 입자의 온도와 질량에 의해 결정된다.

• 온도: 온도가 높을수록 입자의 평균 속도가 증가하므로, 도플러 확장은 더 커진다.

• 질량: 질량이 작을수록 동일한 온도에서 입자의 속도가 더 빠르므로, 도플러 확장은 더 커진다. 따라서 가벼운 원소일수록 도플러 확장이 더 크게 나타난다.

활용

도플러 확장은 천체 물리학, 플라즈마 물리학, 분광학 등 다양한 분야에서 활용된다. 스펙트럼 선폭을 분석하여 기체나 플라즈마의 온도, 밀도, 속도 분포 등을 추정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 별의 스펙트럼 선폭을 분석하여 별의 회전 속도나 표면 온도를 추정할 수 있다. 또한, 플라즈마의 도플러 확장을 측정하여 플라즈마의 이온 온도를 결정하는 데에도 사용된다.