10.2: Ampliamiento Térmico
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Primero, un breve recordatorio de los resultados relevantes de la teoría cinética de los gases, y establecer nuestra notación.
\[\nonumber \begin{align}\text{Notation:}\qquad &c=\text{ speed of light } \\ \nonumber&\mathbf{V}=\text{ velocity of a particular atom }=u\hat{\mathbf{x}}+v\hat{\mathbf{y}}+w\hat{\mathbf{z}} \\ \nonumber &V = \text{ speed of that atom } = \left (u^2+v^2+w^2 \right )^{\frac{1}{2}} \\ \nonumber &V_\text{m} = \text{ modal speed of all the atoms } = \sqrt{\frac{2kT}{m}}=1.414\sqrt{\frac{kT}{m}} \\ \nonumber &\overline V = \text{mean speed of all the atoms }=\sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}=1.596 \sqrt{\frac{kT}{m}}=1.128V_\text{m} \\ \nonumber &V_\text{RMS} =\text{ root mean square speed of all the atoms } =\sqrt{\frac{3kT}{m}}=1.732\sqrt{\frac{kT}{m}}=1.225V_\text{m} \\ \end{align}\]
La distribución Maxwell da la distribución de velocidades. Considera un gas de\(N\) átomos, y deja\(N_VdV\) ser el número de ellos que tienen velocidades entre\(V\text{ and }V + dV\). Entonces
\[\label{10.3.1}\frac{N_VdV}{N}=\frac{4}{\sqrt{\pi}V_\text{m}^3}V^2\text{exp}\left ( -\frac{u^2}{V_\text{m}^2}\right ) dV.\]
Más relevante para nuestro tema actual es la distribución de un componente de velocidad. Escogeremos el\(x\) -componente, y supondremos que la\(x\) dirección es la línea de visión del observador mientras mira a través de una atmósfera estelar. Dejar\(N_udu\) ser el número de átomos con componentes de velocidad entre\(u\text{ and }du\). Entonces la distribución gaussiana es
\[\label{10.3.2}\frac{N_udu}{N}=\frac{1}{\sqrt{\pi}V_\text{m}}\text{exp}\left ( -\frac{u^2}{V_\text{m}^2}\right ) du,\]
lo que, por supuesto, es simétrico\(u = 0\).
Ahora un átomo con un componente de velocidad de línea de visión\(u\) da lugar a un desplazamiento Doppler\(\nu - \nu_0\), donde (siempre que\(u^2 << c^2\))\(\frac{\nu-\nu_0}{\nu_0}=\frac{u}{c}\). Si estamos mirando una línea de emisión, el lado izquierdo de la Ecuación\ ref {10.3.2} nos da el perfil de línea\(I_\nu(\nu)/I_\nu(\nu_0)\) (siempre que la línea sea ópticamente delgada, como siempre se supone en este capítulo a menos que se especifique lo contrario). Así, el perfil de línea de una línea de emisión es
\[\label{10.3.3}\frac{I_\nu(\nu)}{I_\nu(\nu_0)}=\text{exp}\left [ -\frac{c^2}{V_\text{m}^2}\frac{(\nu-\nu_0)^2}{v\nu_0^2}\right ].\]
Este es un perfil gaussiano, o Doppler.
Es fácil demostrar que el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) es
\[\label{10.3.4}w=\frac{V_\text{m}\nu_0}{\text{c}}\sqrt{\ln 16}=1.6651\frac{V_\text{m}\nu_0}{\text{c}}.\]
Este es también el ancho completo a la mitad mínima (fWHm) de una línea de absorción, en unidades de frecuencia. Este es también el FWHM o FWHM en unidades de longitud de onda, siempre que\(\lambda_0\) se sustituyan por\(\nu_0\).
El perfil de una línea de absorción de profundidad central\(d ( = \frac{I_\nu(\text{c})-I_\nu(\nu_0)}{I_\nu(\text{c})})\) es
\[\label{10.3.5}\frac{I_\nu(\nu)}{I_v(c)}=1-d\text{ exp}\left [ -\frac{c^2}{V_\text{m}^2}\frac{(\nu-\nu_0)^2}{\nu_0^2}\right ] ,\]
que también se puede escribir
\[\label{10.3.6}\frac{I_\nu(\nu)}{I_\nu(\text{c})}=1-d \text{exp}\left [ -\frac{(\nu-\nu_0)^2\ln 16}{w^2}\right ].\]
(Verifica que cuando\(\nu - \nu_0 = \frac{1}{2}w\), el lado derecho sea\(1-\frac{1}{2}d\). Haz lo mismo para la ecuación 10.2.22.)
En la figura X.2, dibujo dos perfiles gaussianos, cada uno de la misma anchura equivalente que los perfiles lorentzianos de la figura X.1, y de las mismas dos profundidades centrales, es decir 0.4 y 0.8. Vemos que un perfil gaussiano es “todo núcleo y sin alas”. Una inspección visual de un perfil puede llevar a uno a creer que probablemente sea gaussiano, pero, para estar seguro, se podría escribir la ecuación\ ref {10.3.6} en la forma
\[\label{10.3.7}\ln \left [ \frac{I_\nu(\text{c})-I_\nu(\nu)}{I_\nu(\text{c})}\right ] =\ln d -\frac{(\nu-\nu_0)^2\ln 16}{w^2}\]
y trazar una gráfica del lado izquierdo versus\((\nu - \nu_0)^2\). Si el perfil es verdaderamente gaussiano, esto dará como resultado una línea recta, a partir de la cual\(w\) y se\(d\) puede encontrar desde la pendiente e interceptar.
Integrar el perfil Doppler para encontrar el ancho equivalente es un poco menos fácil que integrar el perfil de Lorentz, pero se deja como un ejercicio para demostrar que
\[\nonumber \begin{align}\text{Equivalent width } &=\sqrt{\frac{\pi}{\ln 16}}\times\text{ central depth }\times \text{FWHm} \\ &=1.064 \times \text{ central depth }\times \text{FWHm}. \\ \end{align}\]
Compárelo con la ecuación 10.2.23 para un perfil de Lorentz.
\(\text{FIGURE X.2}\)
La Figura X.3 muestra un perfil lorentziano (continuo) y un perfil gaussiano (discontinuo), teniendo cada uno la misma profundidad central y la misma fWHm. La relación entre la anchura equivalente lorenziana y la anchura equivalente gaussiana es\(\frac{\pi}{2}\div \sqrt{\frac{\pi}{\ln 16}}=\sqrt{\pi \ln 2}=1.476.\)
\(\text{FIGURE X.3}\)