Classical Atomic Spectral Line

Consider the classical theory of the width of an atomic spectral line. The “atom” consists of an electron of mass m and charge in a harmonic oscillator potential. There is also a frictional damping force, so the equation of motion for the electron is

 (1)

a) Suppose at time t = 0, x = x₀ and ẋ = 0. What is the subsequent motion of the electron? A classical electron executing this motion would emit electromagnetic radiation. Determine the intensity I(ω) of this radiation as a function of frequency. (You need not calculate the absolute normalization of I(ω), only the form of the ω dependence of I(ω).  In other words, it is enough to calculate up to a constant of proportionality.) Assume γ/m << ω₀.

b) Now suppose the damping force γẋ is absent from (1) and that the oscillation is damped only by the loss of energy to radiation (an effect which has been ignored above). The energy U of the oscillator decays as U₀e^-Γt. What, under the above assumptions, is Γ. (You may assume that in any one oscillation the electron loses only a very small fraction of its energy.)

c) For an atomic spectral line of 5000 Å, what is the width of the spectral line, in angstroms, as determined from the calculation of (b)? About how many oscillations does the electron make while losing half its energy? Rough estimates are enough.

SOLUTION

a) The equation

has a solution

(1)

with initial conditions x = x₀, and ẋ = 0, where we used

for ω₀ >> γ/m. In the same approximation, the acceleration

(2)

The total energy ε radiated by the atom

(3)

where I(ω) is the spectral density of the radiation. On the other hand

(4)

where we used the formula

(5)

and the fact that w = 0 at t < 0. We may write the Fourier transform of the acceleration w:

Now, Parseval’s relation  gives

(6)

Comparing (3) and (6), we obtain for the spectral density

b) The energy U of the oscillator may be written

(7)

The power loss is therefore

(8)

This may be equated to the power loss given by the average over one cycle of (5)

(9)

c) We may rewrite (9) as

The linewidth in angstroms may be found from

Now find the time T for the atom to lose half its energy:

The number of oscillations is then

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

جولة تفقدية لمتابعة خطة تنظيم مداخل المعزّين المشاركين في عزاء ركضة طويريج

لتعزيز التعاون الأكاديمي والبحثي.. جامعة الكفيل توقع اتفاقيتي توأمة مع جامعتين عراقيتين

المجمَع العلميّ يواصل إقامة مجلسه العزائي بذكرى شهادة الإمام الحسين (عليه السلام) في النجف الأشرف

قسم حفظ النظام يواصل تنفيذ خطته لتنظيم سير المواكب والزائرين في شهر المحرم

المزيد

الآخبار الصحية

لهذا السبب.. إغلاق 25 مركزًا لعلاج الإدمان في مصر ؟

خلافا للاعتقاد الشائع.. علماء يكشفون أسرار بذور البطيخ ؟!

هذا ما يحدث لجسمك عند تناولك الطماطم بانتظام !

تعرف على أطعمة تسرّع "تعافي الجسم" من حروق الشمس

المزيد

الآخبار التكنلوجية

الثلوج تغطي الصحراء الأكثر جفافا في العالم!

بتلسكوب "ألما".. التقاط صورا غير مسبوقة لبدايات الكون !

هل هاتفك مراقب؟.. 5 علامات خطيرة تكشف التجسس عليك

دبي تطلق أول رحلة تجريبية للتاكسي الجوي

المزيد

مواضيع ذات صلة

جسيمات التماثل الفائق الفوتينوات ، سكواركات ..المادة الظل.. الأكسيونات ..إلخ .

ريادةالانسان للفضاء -قدرة الله في خلق الطيور(كيف الهمت الطيور الانسان )

التجريبية المنطقية وميكانيكا الكم: رؤية كاسيرر بين العلم والفلسفة

المفاهيم الفيزيائية بين الدقة العلمية والتأويل الفلسفي

"توحيد العلوم عبر استبعاد الميتافيزيقا

إرنست ماخ: توحيد الفيزياء عبر الإدراكات الحسية واستبعاد الميتافيزيقا

"الفيزياء بين الكلاسيكية والكم: من حتمية الأشياء إلى نسبية القوانين"

قوانين البقاء في الفيزياء The Conservation Laws of Physics

من كاسيرر إلى ميكانيكا الكم: تطور مفهوم السببية في الفيزياء والفلسفة

نظرة فلسفية لميكانيكا الكم: هل يمكن فهم الحياة بمفاهيم الفيزياء؟

الطول والزمن في النسبية: التحدي الفيزيائي للفلسفة التقليدية

نسبية الطول بين الفيزياء والفلسفة: أينشتاين في مواجهة فالين