Запрещенный механизм - Forbidden mechanism

В спектроскопия, а запретный механизм (запрещенный переход или же запретная линия) это спектральная линия связанные с поглощением или испусканием фотонов атомные ядра, атомы, или же молекулы которые претерпевают переход, который не допускается конкретным правило выбора но допускается, если приближение, связанное с этим правилом, не выполнено.^[1] Например, в ситуации, когда в соответствии с обычными приближениями (такими как электрическое дипольное приближение для взаимодействия со светом) процесс не может произойти, но на более высоком уровне приближения (например, магнитный диполь, или электрический квадруполь ) процесс разрешен, но с гораздо меньшей скоростью.

Примером является фосфоресцирующий 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 нескольких минут или часов.

Хотя переходы номинально запрещены, существует небольшая вероятность их самопроизвольного возникновения, если атомное ядро, атом или же молекула быть поднятым в возбужденное состояние. 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 вероятность любого перехода, разрешенного или разрешенного правилами выбора. Следовательно, если состояние может деактивировать через разрешенный переход (или иначе, например, через коллизии), оно почти наверняка сделает это до того, как какой-либо переход произойдет через запрещенный путь. Тем не менее, большинство запрещенных переходов относительно маловероятны: состояния, которые могут распадаться только таким образом (так называемые метастабильный состояний) обычно имеют время жизни от миллисекунд до секунд, по сравнению с менее чем микросекунды для распада через разрешенные переходы. В некоторых системах с радиоактивным распадом несколько уровней запрета могут увеличивать время жизни на много порядков для каждой дополнительной единицы, на которую система изменяется сверх того, что максимально разрешено правилами выбора.^{[нужна цитата ]} Такие возбужденные состояния могут длиться годы или даже многие миллиарды лет (слишком долго, чтобы их можно было измерить).

В радиоактивном распаде

Гамма-распад

Наиболее распространенный механизм подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер и, таким образом, делает возможным существование метастабильный изомер для ядра - это отсутствие пути распада возбужденного состояния, которое изменит угловой момент ядра (в любом заданном направлении) на наиболее обычную (разрешенную) величину в 1 квантовую единицу. ${\displaystyle \hbar }$ из вращение угловой момент. Такое изменение необходимо для испускания гамма-фотона, у которого в этой системе спин равен 1 единице. Возможны интегральные изменения углового момента на 2, 3, 4 и более единицы (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 переносить излучаемый гамма-луч) снижает скорость распада примерно на 5 порядков.^[3] Наибольшее известное изменение спина в 8 единиц происходит при распаде Та-180М, что подавляет его распад в 10 раз³⁵ от того, что связано с 1 единицей, так что вместо естественного периода полураспада гамма-распада 10⁻¹² секунд, его период полураспада более 10²³ секунд или не менее 3 x 10¹⁵ лет, и, следовательно, до распада еще не наблюдалось.

Хотя гамма-распады с изменением углового момента ядра на 2, 3, 4 и т. Д. Запрещены, они только относительно запрещены и происходят, но с меньшей скоростью, чем нормальное допустимое изменение на 1 единицу. Однако гамма-излучение категорически запрещено, когда ядро ​​начинается в состоянии с нулевым спином, поскольку такое излучение не сохранит угловой момент. Эти переходы не могут происходить за счет гамма-распада, они должны происходить другим путем, например бета-распад в некоторых случаях или внутренняя конверсия где бета-распад не приветствуется.

Бета-распад

Бета-распад классифицируется по L-ценить испускаемого излучения. В отличие от гамма-распада, бета-распад может происходить от ядра со спином нуля и четности до ядра, также со спином нуля и четности (переход Ферми). Это возможно, потому что испускаемый электрон и нейтрино могут иметь противоположный спин (что дает нулевой полный угловой момент излучения), таким образом, сохраняя угловой момент исходного состояния, даже если ядро ​​остается при нулевом спине до и после испускания. Этот тип излучения является сверхразрешенным, что означает, что это наиболее быстрый тип бета-распада в ядрах, чувствительных к изменению отношения протон / нейтрон, которое сопровождает процесс бета-распада.

Следующий возможный полный угловой момент электрона и нейтрино, испускаемых при бета-распаде, представляет собой комбинированный 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 с более высокими угловыми моментами испускаемого излучения (2, 3, 4 и т. Д.) Запрещены и ранжируются по степени запрета по их возрастающему угловому моменту.

В частности, когда L > 0 распад называется запрещенным. Ядерная правила отбора требовать, чтобы L-значения больше двух сопровождались изменениями обоих ядерное вращение  (J) и паритет (π). Правила выбора для Lзапрещенные переходы

${\displaystyle \Delta J=L-1,L,L+1;\Delta \pi =(-1)^{L},}$

куда Δπ = 1 или же −1 не соответствует изменению четности или изменению четности соответственно. Как уже отмечалось, частный случай ферми 0⁺ → 0⁺ переход (который в гамма-распаде абсолютно запрещен) называется сверхразрешенным для бета-распада и происходит очень быстро, если бета-распад возможен. В следующей таблице перечислены ΔJ и Δπ для первых нескольких значенийL:

Запрет	ΔJ	Δπ
Сверхразрешен	0^+ → 0^+	нет
Допустимый	0, 1	нет
Сначала запрещено	0, 1, 2	да
Второй запретный	1, 2, 3	нет
Третье запрещено	2, 3, 4	да

Как и в случае гамма-распада, каждая степень увеличения запрета увеличивает период полураспада участвующего в нем процесса бета-распада примерно на 4–5 порядков.^[4]

Двойной бета-распад наблюдался в лаборатории, например в ⁸²
Se
.^[5] Геохимические эксперименты также обнаружили этот редкий тип запрещенного распада у нескольких изотопов.^[6] со средним периодом полураспада более 10¹⁸ г.

В физике твердого тела

Запрещенные переходы в атомах редкоземельных элементов, таких как эрбий и неодим сделать их полезными как присадки для твердотельных лазерных сред.^[7] В таких средах атомы удерживаются в матрице, которая удерживает их от возбуждения в результате столкновений, а длительный период полураспада их возбужденных состояний позволяет легко оптически накачивать их для создания большой популяции возбужденных атомов. Стекло, легированное неодимом, приобретает необычную окраску из-за запрещенных ж-ж переходы внутри атома неодима, и используется в чрезвычайно высокой мощности твердотельные лазеры. Масса полупроводник переходы также могут быть запрещены по симметрии, которые изменяют функциональную форму спектра поглощения, как можно показать на Тауц сюжет.

В астрофизике и атомной физике

Запрещенные эмиссионные линии наблюдались в чрезвычайно низкихплотность газы и плазма, либо в космическое пространство или в крайнем случае верхняя атмосфера из земной шар.^[8] В космической среде плотность может составлять всего несколько атомов на кубический сантиметр, делая атомные столкновения маловероятными. В таких условиях, если атом или молекула по какой-либо причине были возбуждены в метастабильное состояние, то они почти наверняка распадутся, испуская фотон запрещенной линии. Поскольку метастабильные состояния довольно распространены, запрещенные переходы составляют значительную часть фотонов, испускаемых газом сверхнизкой плотности в космосе. Запрещенные переходы в сильно заряженные ионы в результате испускание видимого, вакуумного ультрафиолета, мягкого рентгеновского излучения и рентгеновских фотонов обычно наблюдается в некоторых лабораторных устройствах, таких как электронно-лучевые ионные ловушки ^[9] и ион кольца для хранения, где в обоих случаях плотности остаточного газа достаточно малы, чтобы излучение запрещенных линий произошло до того, как атомы будут столкновение в восторге. С помощью лазерная спектроскопия техники, запрещенные переходы используются для стабилизации атомные часы и квантовые часы которые имеют самую высокую доступную в настоящее время точность.

Запрещенные строки азот ([N II] при 654,8 и 658,4 нм ), сера ([S II] при 671,6 и 673,1 нм), и кислород ([O II] при 372,7 нм и [O III] при 495,9 и 500,7 нм) обычно наблюдаются в астрофизическая плазма. Эти строки важны для энергетический баланс из планетарные туманности и H II регионы. Запрещенное 21-сантиметровая водородная линия особенно важно для радиоастрономия поскольку он позволяет видеть очень холодный нейтральный газообразный водород. Также наличие запрещенных линий [O I] и [S II] в спектрах звезд Т-Тельца предполагает низкую плотность газа.

Обозначение

Запрещенные переходы линий отмечаются квадратными скобками вокруг рассматриваемых атомных или молекулярных разновидностей, например [O III] или [S II].^[8]

Рекомендации

1. Филип Р. Банкер; Пер Дженсен (2006). Молекулярная симметрия и спектроскопия. NRC Research Press. п. 414. ISBN  978-0-660-19628-2.
2. Лисенский, Георгий С .; Patel, Manish N .; Райх, Меган Л. (1996). «Эксперименты со светящимися в темноте игрушками: кинетика фосфоресценции легированного ZnS». Журнал химического образования. 73 (11): 1048. Bibcode:1996JChEd..73.1048L. Дои:10.1021 / ed073p1048. ISSN  0021-9584.
3. «14.20 Гамма-распад».
4. «Типы бета-распада» (PDF).
5. Elliott, S. R .; Hahn, A. A .; Мо; М. К. (1987). "Прямые доказательства двойного бета-распада двух нейтрино в ⁸²Se ». Письма с физическими проверками. 59 (18): 2020–2023. Bibcode:1987PhRvL..59.2020E. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.2020. PMID  10035397.
6. Барабаш, А. С. (2011). «Эксперимент двойного бета-распада: исторический обзор 75-летних исследований». Физика атомных ядер. 74 (4): 603–613. arXiv:1104.2714. Bibcode:2011ПАН .... 74..603Б. Дои:10.1134 / S1063778811030070. S2CID  118716672.
7. Колесов, Р .; и другие. (2012). «Оптическое обнаружение одиночного иона редкоземельного элемента в кристалле». Nature Communications. 3: 1029. Bibcode:2012НатКо ... 3,1029 тыс.. Дои:10.1038 / ncomms2034. ЧВК  3432461. PMID  22929786.
8. "Заборонені лінії" (PDF). Астрономічний енциклопедичний словник [Энциклопедический словарь астрономии] (на украинском языке). За загальною редакцією І. А. Климишина та А. О. Корсунь. Львів: ЛНУ — ГАО НАНУ. 2003. с. 161. ISBN  966-613-263-X. Сложить резюме.
9. Мэкель В. и Клавиттер Р. и Бреннер Г. и Креспо Лопес-Уррутия Дж. Р. и Ульрих Дж. (2011). «Лазерная спектроскопия запрещенных переходов в захваченном высокозарядном аргоне.¹³⁺ Ионы ». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество. 107 (14): 143002. Bibcode:2011ПхРвЛ.107н3002М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.107.143002. PMID  22107188.

дальнейшее чтение

• Остерброк, Д., Астрофизика газовых туманностей и активных ядер галактик, Университетские научные книги, 1989, ISBN  0-935702-22-9.
• Генрих Бейер, Генрих Ф. Бейер, Х.-Юрген Клюге, Х.-Ж. Клюге Вячеслав Петрович Шевелько, Рентгеновское излучение высоко заряженных ионов., Springer Science & Business Media, 1997 г., ISBN  978-3-540-63185-9.
• Гилласпи, Джон, редактор, Улавливание высоко заряженных ионов: основы и приложения, Отредактированный Джоном Гилласпи. Опубликовано Nova Science Publishers, Inc., Хантингтон, Нью-Йорк, 1999, ISBN  1-56072-725-X.
• Вольфганг Квинт, Мануэль Фогель, редакторы, Фундаментальная физика в ловушках частиц, Springer Tracts in Modern Physics, Volume 256, 2014 г., ISBN  978-3-642-45200-0.