Запрещенный механизм
в спектроскопии ( Запрещенный механизм запрещенный переход или запрещенная линия ) — 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 произойти, но на более высоком уровне приближения (например, магнитный диполь или электрический квадруполь ) процесс разрешено, но по низкой ставке.
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. 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 ссылка ] Такие возбужденные состояния могут длиться годы или даже многие миллиарды лет (слишком долго, чтобы их можно было измерить).
При радиоактивном распаде
[ редактировать ]Гамма-распад
[ редактировать ]Наиболее распространенным механизмом подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер и, таким образом, создания возможности существования метастабильного изомера ядра, является отсутствие пути распада возбужденного состояния, который будет изменять угловой момент ядра (вдоль любого заданном направлении) на наиболее распространенное (разрешенное) количество 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 раз. 35 от связанного с 1 единицей, так что вместо естественного периода полураспада гамма-распада 10 −12 секунд, период полураспада более 10 23 секунд или хотя бы 3 х 10 15 лет, и, таким образом, до сих пор не наблюдалось распада.
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
[ редактировать ]Бета-распад классифицируется по значению испускаемого L 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, которые чувствительны к изменению соотношения протонов и 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. ядерного Правила 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 уже отмечалось, частный случай ферми 0 + → 0 + Переход (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 :
| Запретность | Δ Дж | Дп |
|---|---|---|
| Суперразрешено | 0 + → 0 + | нет |
| Допустимый | 0, 1 | нет |
| Сначала запрещено | 0, 1, 2 | да |
| Второй запрещенный | 1, 2, 3 | нет |
| Третий запрещен | 2, 3, 4 | да |
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, в 82
Се
. [5] Геохимические эксперименты также обнаружили этот редкий тип запрещенного распада нескольких изотопов. [6] со средним периодом полураспада более 10 18 .
В физике твердого тела
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Октябрь 2023 г. ) |
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 их оптически накачивать 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 .
В астрофизике и атомной физике
[ редактировать ]Запрещенные эмиссионные линии наблюдались в плотности газах и плазме как в космическом пространстве , так и в верхних слоях атмосферы Земли чрезвычайно низкой . [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 видимых, вакуумно-ультрафиолетовых , мягких рентгеновских и рентгеновских фотонов, обычно наблюдаются в некоторых лабораторных устройствах, таких как ионные ловушки с электронным пучком. [9] и кольца для хранения ионов , где в обоих случаях плотность остаточного газа достаточно мала для того, чтобы произошла запрещенная линейная эмиссия до того, как атомы будут сняты с возбуждения столкновением . 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.
Обозначения
[ редактировать ]Запрещенные линейные переходы отмечаются путем помещения в квадратные скобки рассматриваемого атомного или молекулярного вида, например, [O III] или [S II]. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Филип Р. Банкер; Пер Йенсен (2006). Молекулярная симметрия и спектроскопия . NRC Research Press. п. 414. ИСБН 978-0-660-19628-2 .
- ^ Лисенский, Джордж К.; Патель, Маниш Н.; Райх, Меган Л. (1996). «Эксперименты со светящимися в темноте игрушками: кинетика фосфоресценции легированного ZnS». Журнал химического образования . 73 (11): 1048. Бибкод : 1996ЖЧЭд..73.1048Л . дои : 10.1021/ed073p1048 . ISSN 0021-9584 .
- ^ «14.20 Гамма-распад» .
- ^ «Типы бета-распада» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2013 г. Проверено 14 августа 2014 г.
- ^ Эллиотт, СР; Хан, А.А.; Мо; МК (1987). «Прямое свидетельство двойного бета-распада двух нейтрино в 82 Se». Physical Review Letters . 59 (18): 2020–2023. Bibcode : 1987PhRvL..59.2020E . doi : 10.1103/PhysRevLett.59.2020 . PMID 10035397 .
- ^ Барабаш А.С. (2011). «Эксперимент двойного бета-распада: исторический обзор 75 лет исследований». Физика атомных ядер . 74 (4): 603–613. arXiv : 1104.2714 . Бибкод : 2011PAN....74..603B . дои : 10.1134/S1063778811030070 . S2CID 118716672 .
- ^ Колесов Р.; и др. (2012). «Оптическое обнаружение одиночного редкоземельного иона в кристалле» . Природные коммуникации . 3 : 1029. Бибкод : 2012NatCo...3.1029K . дои : 10.1038/ncomms2034 . ПМЦ 3432461 . ПМИД 22929786 .
- ^ Перейти обратно: а б И.А. Климышина; А.А. Корсунь, eds. (2003). "Запретные линии" (PDF) . Астрономический энциклопедический словарь [ Энциклопедический словарь астрономии ] (на украинском языке). Львов: ЛНУ — ГАО НАНУ. п. 161. ИСБН 966-613-263-Х .
- ^ Меккель, В.; Клавиттер, Р.; Бреннер, Г.; Креспо Лопес-Уррутиа-младший; Ульрих, Дж. (2011). «Лазерная спектроскопия запрещенных переходов в захваченном высокозаряженном аргоне». 13+ Ионы». Physical Review Letters . 107 (14). Американское физическое общество: 143002. Bibcode : 2011PhRvL.107n3002M . doi : 10.1103/PhysRevLett.107.143002 . PMID 22107188 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Остерброк, Д.Э. , Астрофизика газовых туманностей и активных галактических ядер , University Science Books, 1989 , ISBN 0-935702-22-9 .
- Генрих Байер, Генрих Ф. Бейер, Х.-Юрген Клюге, Х.-Й. Клюге, Вячеслав Петрович Шевелько, Рентгеновское излучение высокозаряженных ионов , Springer Science & Business Media, 1997, ISBN 978-3-540-63185-9 .
- Гилласпи, Джон, редактор, «Улавливание высокозаряженных ионов: основы и приложения » под редакцией Джона Гилласпи. Опубликовано Nova Science Publishers, Inc. , Хантингтон, штат Нью-Йорк, 1999 г. ISBN 1-56072-725-X .
- Вольфганг Квинт, Мануэль Фогель, редакторы, «Фундаментальная физика в ловушках частиц» , Springer Tracts in Modern Physics, том 256, 2014 г., ISBN 978-3-642-45200-0 .