Breiteneffekte

Breiteneffekte, auch als Linienbreite oder Breitbreite-Effekte bezeichnet, beschreiben die Verbreiterung spektraler Linien oder Resonanzen durch verschiedene physikalische Prozesse. Sie beeinflussen die Auflösung von Spektren, die Bestimmung von Übergängen und die Genauigkeit metrologischer Anwendungen.

Zu den Ursachen gehören natürliche Breiteneffekte, die aus der endlichen Lebensdauer angeregter Zustände resultieren (Energie-Zeit-Unschärfe). Kollisionsbedingte oder drucksbedingte Breiteneffekte entstehen durch Wechselwirkungen mit anderen Teilchen, Dephasierung und Stöße. Weitere Ursachen sind Doppler-Breitung durch die thermische Bewegung von Teilchen und Breiteneffekte durch starke Lichtfelder (Power-Broadening). Instrumentelle Breiteneffekte entstehen durch endliche Auflösung von Messgeräten.

Die Linienform hängt von der zugrundeliegenden Breitenverteilung ab. Homogene Breiteneffekte führen oft zu Lorentz-Verteilungen, während Doppler-Breitung eine Gauß-Verteilung bevorzugt. In vielen Fällen wirkt sich eine Mischung aus, was zur Voigt-Verteilung führt, einer Konvolution von Gauß und Lorentz.

Neben der rein spektralen Relevanz spielen Breiteneffekte eine zentrale Rolle in der Spektroskopie, Laserphysik, Atom- und Molekularphysik sowie in der Astrophysik, wo Genauigkeit von Messungen und Modellierungen stark von der Berücksichtigung der Breiteneffekte abhängen.

Im Teilchen- und Kernbereich wird die Breit-Wigner-Verteilung verwendet, um die Energieverteilung kurzer Lebensdauern resonanter Zustände zu beschreiben. Die entsprechenden Breiteneffekte bestimmen die Breite der Resonanzen und beeinflussen Kreuz-sektionen sowie die Entstehung von Produkten.