В спектроскопии запрещённый механизм ( запрещённый переход или запрещённая линия ) — это спектральная линия , связанная с поглощением или испусканием фотонов атомными ядрами , атомами или молекулами , которые претерпевают переход, неразрешённый определённым правилом отбора , но разрешённый, если не сделано приближение, связанное с этим правилом. [1] Например, в ситуации, когда согласно обычным приближениям (таким как электрическое дипольное приближение для взаимодействия со светом) процесс не может произойти, но на более высоком уровне приближения (например, магнитном дипольном или электрическом квадрупольном ) процесс разрешён, но с низкой скоростью.
Примером являются фосфоресцирующие светящиеся в темноте материалы [2] , которые поглощают свет и образуют возбужденное состояние, распад которого включает переворот спина , и поэтому запрещен электрическими дипольными переходами. Результатом является медленное излучение света в течение минут или часов.
Если атомное ядро , атом или молекула будут переведены в возбужденное состояние и переходы будут номинально запрещены, то все еще существует небольшая вероятность их спонтанного возникновения. Точнее, существует определенная вероятность того, что такая возбужденная сущность совершит запрещенный переход в состояние с более низкой энергией за единицу времени; по определению, эта вероятность намного ниже, чем для любого перехода, разрешенного или разрешенного правилами отбора. Поэтому, если состояние может девозбуждаться через разрешенный переход (или иным образом, например, через столкновения), оно почти наверняка сделает это до того, как произойдет какой-либо переход через запрещенный маршрут. Тем не менее, большинство запрещенных переходов лишь относительно маловероятны: состояния, которые могут распадаться только таким образом (так называемые метастабильные состояния), обычно имеют время жизни порядка миллисекунд или секунд, по сравнению с менее чем микросекундой для распада через разрешенные переходы. В некоторых системах радиоактивного распада множественные уровни запрета могут растягивать время жизни на много порядков для каждой дополнительной единицы, на которую система изменяется сверх того, что максимально разрешено правилами отбора. [ необходима цитата ] Такие возбужденные состояния могут длиться годами или даже миллиарды лет (слишком долго, чтобы их можно было измерить).
Наиболее распространенным механизмом подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер, и, таким образом, обеспечения возможности существования метастабильного изомера для ядра, является отсутствие пути распада для возбужденного состояния, который изменит ядерный угловой момент (вдоль любого заданного направления) на наиболее распространенную (разрешенную) величину в 1 квантовую единицу спинового углового момента . Такое изменение необходимо для испускания гамма-фотона, который имеет спин в 1 единицу в этой системе. Возможны интегральные изменения углового момента в 2, 3, 4 и более единиц (испускаемые фотоны уносят дополнительный угловой момент), но изменения более чем на 1 единицу известны как запрещенные переходы. Каждая степень запрета (дополнительная единица изменения спина больше 1, которую должен нести испускаемый гамма-луч) подавляет скорость распада примерно на 5 порядков. [3] Наибольшее известное изменение спина на 8 единиц происходит при распаде Ta-180m , что подавляет его распад в 10 35 раз по сравнению с распадом, связанным с 1 единицей, так что вместо естественного периода полураспада гамма-распада в 10 −12 секунд, его период полураспада составляет более 10 23 секунд, или по крайней мере 3 x 10 15 лет, и, таким образом, его распад еще предстоит наблюдать.
Хотя гамма-распады с изменениями ядерного углового момента 2, 3, 4 и т. д. запрещены, они запрещены только относительно и происходят, но с меньшей скоростью, чем нормальное разрешенное изменение на 1 единицу. Однако гамма-излучение абсолютно запрещено, когда ядро начинается и заканчивается в состоянии нулевого спина, поскольку такое излучение не сохраняет угловой момент. Эти переходы не могут происходить посредством гамма-распада, а должны происходить другим путем, например, бета-распадом в некоторых случаях или внутренней конверсией , когда бета-распад нежелателен.
Бета-распад классифицируется в соответствии со значением L испускаемого излучения. В отличие от гамма-распада, бета-распад может происходить из ядра со спином, равным нулю, и четной четностью в ядро также со спином, равным нулю, и четной четностью (переход Ферми). Это возможно, поскольку испускаемые электрон и нейтрино могут иметь противоположные спины (давая полный угловой момент излучения, равный нулю), тем самым сохраняя угловой момент начального состояния, даже если ядро остается со спином, равным нулю, до и после испускания. Этот тип испускания является сверхразрешенным, что означает, что это самый быстрый тип бета-распада в ядрах, которые восприимчивы к изменению соотношений протонов и нейтронов, которое сопровождает процесс бета-распада.
Следующий возможный полный угловой момент электрона и нейтрино, испускаемых при бета-распаде, представляет собой объединенный спин 1 (электрон и нейтрино вращаются в одном направлении) и разрешен. Этот тип излучения ( переход Гамова-Теллера ) изменяет ядерный спин на 1 для компенсации. Состояния, включающие более высокие угловые моменты испускаемого излучения (2, 3, 4 и т. д.), запрещены и ранжируются по степени запрета в зависимости от их возрастающего углового момента.
В частности, когда L > 0, распад называется запрещенным. Правила ядерного отбора требуют, чтобы значения L больше двух сопровождались изменениями как ядерного спина ( J ), так и четности (π). Правила отбора для запрещенных переходов L -го порядка таковы:
где Δπ = 1 или −1 соответствует отсутствию изменения четности или изменению четности соответственно. Как уже отмечалось, особый случай перехода Ферми 0 + → 0 + (который в гамма-распаде абсолютно запрещен) называется сверхразрешенным для бета-распада и протекает очень быстро, если бета-распад возможен. В следующей таблице перечислены значения Δ J и Δπ для первых нескольких значений L :
Как и в случае с гамма-распадом, каждая степень увеличения запрета увеличивает период полураспада процесса бета-распада примерно на 4–5 порядков. [4]
Двойной бета-распад наблюдался в лабораторных условиях, например, в82Сэ. [5] Геохимические эксперименты также обнаружили этот редкий тип запрещенного распада в нескольких изотопах [6] со средним периодом полураспада более 10 18 лет.
Запрещенные переходы в атомах редкоземельных элементов, таких как эрбий и неодим, делают их полезными в качестве легирующих добавок для твердотельных лазерных сред. [7] В таких средах атомы удерживаются в матрице, которая удерживает их от девозбуждения при столкновении, а длительный период полураспада их возбужденных состояний позволяет легко оптически накачивать их для создания большой популяции возбужденных атомов. Стекло, легированное неодимом, получает свою необычную окраску от запрещенных f - f переходов внутри атома неодима и используется в твердотельных лазерах чрезвычайно высокой мощности . Переходы в объемном полупроводнике также могут быть запрещены симметрией, что изменяет функциональную форму спектра поглощения, как можно показать на графике Тауца .
Запрещенные линии излучения наблюдались в газах и плазме с чрезвычайно низкой плотностью , как в открытом космосе , так и в верхних слоях атмосферы Земли . [ 8 ] В космических условиях плотность может составлять всего несколько атомов на кубический сантиметр , что делает атомные столкновения маловероятными. В таких условиях, как только атом или молекула по какой-либо причине возбуждаются в метастабильное состояние, они почти наверняка распадутся, испуская фотон с запрещенной линией. Поскольку метастабильные состояния довольно распространены, запрещенные переходы составляют значительный процент фотонов, испускаемых газом со сверхнизкой плотностью в космосе. Запрещенные переходы в сильно заряженных ионах, приводящие к испусканию видимых, вакуумно-ультрафиолетовых , мягких рентгеновских и рентгеновских фотонов, регулярно наблюдаются в определенных лабораторных устройствах, таких как электронно-лучевые ионные ловушки [9] и ионные накопительные кольца , где в обоих случаях остаточная плотность газа достаточно мала для испускания запрещенной линии до того, как атомы будут девозбуждены столкновениями . Используя методы лазерной спектроскопии , запрещенные переходы используются для стабилизации атомных часов и квантовых часов , которые имеют самую высокую точность, доступную в настоящее время.
Запрещенные линии азота ([N II] при 654,8 и 658,4 нм ), серы ([S II] при 671,6 и 673,1 нм) и кислорода ([O II] при 372,7 нм и [O III] при 495,9 и 500,7 нм) обычно наблюдаются в астрофизической плазме . Эти линии важны для энергетического баланса планетарных туманностей и областей H II . Запрещенная 21-сантиметровая линия водорода особенно важна для радиоастрономии, поскольку она позволяет наблюдать очень холодный нейтральный водородный газ. Кроме того, присутствие запрещенных линий [OI] и [S II] в спектрах звезд типа Т-Тельца подразумевает низкую плотность газа.
Запрещенные переходы линий отмечаются квадратными скобками вокруг рассматриваемых атомных или молекулярных видов, например, [O III] или [S II]. [8]
