Natürliche Linienbreite

Die Linienbreite ist die Breite des von schmalbandigem Licht (z. B. Spektrallinie oder Laserlicht) umfassten Frequenz- bzw. Wellenlängenintervalls.

Emissionsspektrum einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe; die Zahlen geben die Wellenlänge (in nm) der Spektrallinien des Quecksilbers an. Weitere Banden tragen keine Zahlen - dies sind die Emissionen der durch die UV-Strahlung des Quecksilber-Plasmas angeregten Leuchtstoffe.

Spektrum einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe. Obere Aufnahme mit einem 256-Pixel-Zeilensensor. Untere Aufnahme mit einer Kamera

Dieses Intervall entsteht gemäß der heisenbergschen Unschärferelation für Energie E und Zeit t:

$\Delta E \Delta t \geq \hbar$, dabei ist $\hbar$ die plancksche Konstante.

Die endliche Lebensdauer angeregter Energieniveaus verursacht deshalb eine natürliche Linienbreite. Sie hängt unmittelbar mit der Kohärenzlänge zusammen. Mit steigendem Gasdruck verbreitern sich die Spektrallinien, wie den Bildern zu entnehmen ist.

Die natürliche Linienbreite ist insbesondere dadurch gegeben, dass die angeregten Zustände strahlungsfähiger Systeme (z. B. Atome und Moleküle) eine endliche Lebensdauer und daher unscharfe Energieniveaus besitzen, so dass auch keine scharf definierte Übergangsfrequenz existiert.

Ebenso besitzt auch jedes Energieniveau eines Atomkerns eine Breite Γ, die über die Heisenbergsche Unschärferelation mit der endlichen Lebensdauer π verknüpft ist. Die bei Übergängen zwischen Kernniveaus emittierten γ-Linien haben deshalb auch eine gewisse Linienbreite.

Infolge der Bewegung der emittierenden Systeme wird die Linienbreite vergrößert, siehe dazu Linienverbreiterung.