Die Linienbreite (auch Spektrale Breite[1])ist die Breite des Frequenz- oder Wellenlängenintervalls
In der Quantenphysik (z. B. bei instabilen Elementarteilchen) wird die Linienbreite auch oft durch die Energieunschärfe oder Zerfallsbreite
mit
Angegeben wird gewöhnlich die volle Halbwertsbreite, d. h. das Intervall über dem Profil der betrachteten Linie, in dem die spektrale Intensität größer als der halbe Maximalwert ist.
Geht die beobachtete Strahlung von vielen unabhängigen Quellen aus, so unterscheidet man:
Als Ursachen der Linienbreite sind neben der prinzipiellen Energieunschärfe aller instabilen Systeme äußere Störungen wie Zusammenstöße der Emittenten und Dopplerverschiebung durch ihre ungeordnete Bewegung zu nennen.
Nach der Quantenmechanik kann ein physikalisches System, wenn es eine scharf definierte Energie besitzt, sich zeitlich nicht verändern. Umgekehrt besitzen Systeme, die spontan zerfallen oder eine Strahlung erzeugen, eine prinzipielle Energieunschärfe, ihre Strahlung eine entsprechende natürliche Linienbreite. Die Form entspricht dabei einer Cauchy-Verteilung, die in der Physik auch als Resonanzkurve oder Lorentzkurve bekannt ist. Das gilt ganz allgemein, gleichermaßen z. B. für Elementarteilchen, radioaktive oder angeregte Kerne, angeregte Atome, Moleküle.
Die oben angesprochene Energieunschärfe beträgt
mit der Zerfallskonstanten
In der Form
mit der Lebensdauer
ähnelt der Zusammenhang der heisenbergschen Unschärferelation und wird deshalb auch als Energie-Zeit-Unschärferelation bezeichnet.
In der Elementarteilchenphysik wird diese Beziehung zur experimentellen Bestimmung extrem kurzer Lebensdauern genutzt. Z. B. ergibt sich beim Z0-Boson aus der Zerfallsbreite
In der Optik hängt die natürliche Linienbreite unmittelbar mit der Kohärenzlänge zusammen.
Man kann die natürliche Linienbreite mithilfe eines Lorentzoszillators modellieren.[2]
Durch bestimmte Effekte wie die Dopplerverbreiterung oder die Druckverbreiterung kommt es zu einer Linienverbreiterung.