Запрещенный механизм ( запрещенный переход или запрещенная линия ) в спектроскопии — спектральная линия , связанная с поглощением или испусканием фотонов атомными ядрами , атомами или молекулами , претерпевающими переход, не разрешенный тем или иным правилом отбора , но разрешенный, если аппроксимация, связанная с этим правилом, не производится. [1] Например, в ситуации, когда согласно обычным приближениям (таким как приближение электрического диполя для взаимодействия со светом) процесс не может происходить, но на более высоком уровне приближения (например, магнитного диполя , или электрического квадруполя ) процесс разрешен, 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, следовательно, запрещен электрическими дипольными переходами. В результате излучение света происходит медленно, в течение минут или часов.
Если атомное ядро , атом или молекулу перевести в возбужденное состояние и если переходы номинально запрещены, то еще остается небольшая вероятность их самопроизвольного возникновения. Точнее, существует определенная вероятность того, что такая возбужденная сущность совершит запрещенный переход в состояние с более низкой энергией в единицу времени; по определению эта вероятность намного ниже, чем для любого перехода, разрешенного или разрешенного правилами отбора. Следовательно, если состояние может снять возбуждение посредством разрешенного перехода (или иным образом, например, посредством столкновений), оно почти наверняка сделает это до того, как какой-либо переход произойдет по запрещенному маршруту. Тем не менее, большинство запрещенных переходов 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 несколько уровней запрета могут увеличить время жизни на много порядков для каждой дополнительной единицы, на которую система изменяется сверх того, что наиболее разрешено правилами отбора. [ нужна цитата ] Такие возбужденные состояния могут длиться годы или даже многие миллиарды лет (слишком долго, чтобы их можно было измерить).
Наиболее распространенным механизмом подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер и, таким образом, делающим возможным существование метастабильного изомера ядра, является отсутствие пути распада возбужденного состояния, который будет изменять угловой момент ядра (вдоль любого заданном направлении) на наиболее распространенную (разрешенную) величину в 1 квантовую единицу спинового углового момента . Такое изменение необходимо для испускания гамма-фотона, спин которого в этой системе равен 1 единице. Возможны целые изменения углового момента на 2, 3, 4 и более единиц (испускаемые фотоны уносят дополнительный угловой момент), но изменения более чем на 1 единицу называются запрещенными переходами. Каждая степень запрета (дополнительная единица изменения спина больше 1, которую должен нести испускаемый гамма-луч) замедляет скорость распада примерно на 5 порядков. [3] Наибольшее известное изменение спина на 8 единиц происходит при распаде Та-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 10 - 12 секунд, его период полураспада составляет более 10 23 секунды, или, по крайней мере, 3 x 10 15 лет, и поэтому его распад еще не наблюдался.
Хотя гамма-распады с изменениями углового момента ядра на 2, 3, 4 и т. д. запрещены, они запрещены лишь относительно и продолжаются, но с более медленной скоростью, чем нормальное разрешенное изменение на 1 единицу. Однако гамма-излучение абсолютно запрещено, когда ядро начинается и заканчивается в состоянии с нулевым спином, поскольку такое излучение не сохраняет угловой момент. Эти переходы не могут происходить в результате гамма-распада, а должны происходить по другому пути, например, в некоторых случаях через бета-распад или внутреннее преобразование , когда бета-распад нежелателен.
Бета-распад классифицируется по значению L испускаемого излучения. В отличие от гамма-распада, бета-распад может происходить от ядра со спином, равным нулю и четности, к ядру также со спином, равным нулю и четности (переход Ферми). Это возможно, потому что испускаемые электрон и нейтрино могут иметь противоположный спин (что дает нулевой общий угловой момент излучения), таким образом сохраняя угловой момент исходного состояния, даже если ядро остается с нулевым спином до и после испускания. Этот тип излучения является сверхразрешенным, что означает, что это наиболее быстрый тип бета-распада в ядрах, чувствительных к изменению соотношения протонов/нейтронов, которое сопровождает процесс бета-распада.
Следующий возможный общий угловой момент электрона и нейтрино, испускаемых при бета-распаде, представляет собой комбинированный спин 1 (электрон и нейтрино вращаются в одном направлении), и он разрешен. Этот тип излучения ( переход Гамова-Теллера ) меняет спин ядра на 1 для компенсации. Состояния с более высокими угловыми моментами испускаемого излучения (2, 3, 4 и т. д.) запрещены и ранжируются по степени запрещенности по возрастанию углового момента.
В частности, при L > 0 распад называют запрещенным. Правила ядерного отбора требуют, чтобы L-значения больше двух сопровождались изменениями как ядерного спина ( J ), так и четности (π). Правила отбора для L -го запрещенного перехода таковы:
где Δπ = 1 или -1 соответствует отсутствию изменения четности или изменению четности соответственно. Как отмечалось, частный случай ферми-перехода 0 + → 0 + (который при 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 лаборатории, например, в82Се. [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 металлов, 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 снятия возбуждения при столкновении, а длительный период полураспада их возбужденных состояний позволяет легко оптически накачивать их для создания большой популяции возбужденных атомов. Легированное неодимом стекло получает свою необычную окраску из-за запрещенных f - f -переходов внутри атома неодима и используется в твердотельных лазерах чрезвычайной мощности . Объемные полупроводниковые переходы также могут быть запрещены симметрией, которая меняет функциональную форму спектра поглощения, как это можно показать на графике Тауца .
Запрещенные эмиссионные линии наблюдались в газах и плазме чрезвычайно низкой плотности как в космическом пространстве , так и в верхних слоях атмосферы Земли . [8] В космической среде плотность может составлять всего несколько атомов на кубический сантиметр , что делает столкновения атомов маловероятными. В таких условиях, если атом или молекула по какой-либо причине перейдут в метастабильное состояние, они почти наверняка распадутся с испусканием фотона запрещенной линии. Поскольку метастабильные состояния довольно распространены, на запрещенные переходы приходится значительная часть фотонов, испускаемых газом сверхнизкой плотности в космосе. Запрещенные переходы в высокозаряженных ионах, приводящие к излучению фотонов видимого диапазона, вакуумного ультрафиолета , мягкого рентгеновского и рентгеновского излучения, обычно наблюдаются в некоторых лабораторных устройствах, таких как ионные ловушки электронного пучка [9] и накопители ионов . В случаях, когда плотность остаточного газа достаточно мала для того, чтобы излучение запрещенных линий возникло до того, как атомы будут сняты с столкновительного возбуждения. Используя методы лазерной спектроскопии , запрещенные переходы используются для стабилизации атомных 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 линия водорода длиной 21 см особенно важна для радиоастрономии, поскольку позволяет увидеть очень холодный нейтральный газообразный водород. Также наличие запрещенных линий [OI] и [S II] в спектрах звезд Т-Тельца предполагает низкую плотность газа.
Запрещенные линейные переходы отмечаются помещением в квадратные скобки рассматриваемых атомных или молекулярных видов, например, [O III] или [S II]. [8]
