Zabroniony mechanizm - Forbidden mechanism

W spektroskopii , A zabronione mechanizm ( zabronione przejście lub zabronione linia ) jest widmowe związane z absorpcji lub emisji fotonów przez atomowych jąder , atomów lub cząsteczek , które zostały poddane transformacji, które nie są dopuszczone przez konkretnego reguły wyboru , może jednak, jeżeli nie dokonuje się przybliżenia związanego z tą zasadą. Na przykład w sytuacji, gdy zgodnie ze zwykłymi przybliżeniami (np. aproksymacja dipola elektrycznego dla oddziaływania ze światłem), proces nie może zajść, ale na wyższym poziomie aproksymacji (np. dipol magnetyczny lub kwadrupol elektryczny ) proces jest dozwolone, ale w niskiej stawce.

Przykładem są fosforyzujące materiały świecące w ciemności, które pochłaniają światło i tworzą stan wzbudzony, którego rozpad obejmuje odwrócenie spinu, a zatem jest zabronione przez elektryczne przejścia dipolowe. Rezultatem jest powolna emisja światła przez minuty lub godziny.

W przypadku podniesienia jądra atomowego , atomu lub molekuły do stanu wzbudzonego i nominalnie zabronionych przejść, to nadal istnieje małe prawdopodobieństwo ich spontanicznego wystąpienia. Dokładniej, istnieje pewne prawdopodobieństwo, że tak wzbudzony byt dokona zabronionego przejścia do stanu o niższej energii w jednostce czasu; z definicji prawdopodobieństwo to jest znacznie niższe niż w przypadku dowolnego przejścia dozwolonego lub dozwolonego przez reguły selekcji. Dlatego też, jeśli stan może odwzbudzić się przez dozwolone przejście (lub w inny sposób, np. przez kolizje), prawie na pewno zrobi to, zanim jakiekolwiek przejście nastąpi przez zabronioną trasę. Niemniej jednak większość zabronionych przejść jest stosunkowo mało prawdopodobna: stany, które mogą zanikać tylko w ten sposób (tak zwane stany meta-stabilne ) zwykle mają czasy życia rzędu milisekund do sekund, w porównaniu do mniej niż mikrosekundy dla zaniku przez dozwolone przejścia. W niektórych systemach rozpadu promieniotwórczego wiele poziomów zakazu może wydłużyć czas życia o wiele rzędów wielkości dla każdej dodatkowej jednostki, o którą system zmienia się poza to, co jest najbardziej dozwolone zgodnie z regułami selekcji. Takie stany wzbudzone mogą trwać latami, a nawet miliardami lat (zbyt długo, aby można je było zmierzyć).

W rozpadzie radioaktywnym

Zanik gamma

Najczęstszym mechanizmem tłumienia szybkości rozpadu gamma wzbudzonych jąder atomowych, a tym samym umożliwiającym istnienie metastabilnego izomeru jądra, jest brak drogi rozpadu dla stanu wzbudzonego, który zmienia jądrowy moment pędu (wzdłuż dowolnego biorąc pod uwagę kierunek) w najczęstszych (dopuszczalne) wynosi od 1 jednostki kwantowej z wirowania pędu . Taka zmiana jest konieczna, aby wyemitować foton promieniowania gamma, który w tym układzie ma spin 1 jednostki. Możliwe są całkowe zmiany o 2, 3, 4 i więcej jednostek momentu pędu (emitowane fotony przenoszą dodatkowy moment pędu), ale zmiany o więcej niż 1 jednostkę są nazywane przejściami zabronionymi. Każdy stopień zakazu (dodatkowa jednostka zmiany spinu większa niż 1, którą musi nieść emitowane promieniowanie gamma) hamuje szybkość zaniku o około 5 rzędów wielkości. Największa znana zmiana wirowania wynosząca 8 jednostek występuje w rozpadzie Ta-180m , co tłumi jego rozpad 10 35 razy w porównaniu z wartością związaną z 1 jednostką, tak że zamiast naturalnego okresu półtrwania rozpadu gamma wynoszącego 10-12 sekund, ma okres półtrwania dłuższy niż 10 23 sekundy lub co najmniej 3 x 10 15 lat, a zatem nie zaobserwowano jeszcze, aby rozpadał się.

Chociaż rozpady gamma z jądrowymi zmianami momentu pędu 2, 3, 4 itd. są zabronione, są one tylko względnie zabronione i postępują, ale z mniejszą szybkością niż normalna dozwolona zmiana 1 jednostki. Emisja gamma jest jednak absolutnie zabroniona, gdy jądro zaczyna się w stanie zerowego spinu, ponieważ taka emisja nie zachowałaby momentu pędu. Te przejścia nie mogą zachodzić w wyniku rozpadu gamma, ale muszą przebiegać inną drogą, taką jak rozpad beta w niektórych przypadkach lub konwersja wewnętrzna, w której rozpad beta nie jest faworyzowany.

Rozpad beta

Rozpadu beta klasyfikuje się według L -wartość emitowanego promieniowania. W przeciwieństwie do rozpadu gamma, rozpad beta może przebiegać od jądra o zerowym, a nawet parzystym spinie do jądra również o zerowym, a nawet parzystym spinie (przejście Fermiego). Jest to możliwe, ponieważ wyemitowany elektron i neutrino mogą mieć przeciwny spin (co daje promieniowaniu całkowity moment pędu równy zero), zachowując w ten sposób moment pędu ze stanu początkowego, nawet jeśli jądro pozostaje w zerowym spinie przed i po emisji. Ten rodzaj emisji jest super-dozwolony, co oznacza, że ​​jest to najszybszy rodzaj rozpadu beta w jądrach, które są podatne na zmianę stosunku proton/neutron, która towarzyszy procesowi rozpadu beta.

Następny możliwy całkowity moment pędu elektronu i neutrina emitowanego w rozpadzie beta to połączony spin o wartości 1 (elektron i neutrino wirują w tym samym kierunku) i jest dozwolony. Ten rodzaj emisji ( przejście Gamowa-Tellera ) zmienia spin jądrowy o 1 w celu kompensacji. Stany z wyższym momentem pędu emitowanego promieniowania (2, 3, 4, itd.) są zabronione i są uszeregowane pod względem stopnia zakazu przez ich rosnący moment pędu.

W szczególności, gdy L > 0 rozpad jest określany jako zabroniony. Reguły selekcji jądrowej wymagają, aby wartościom L większym niż dwa towarzyszyły zmiany zarówno spinu jądrowego  ( J ), jak i parzystości  (π). Zasady wyboru dla L- tego zabronionego przejścia to transition

gdzie Δπ = 1 lub -1 odpowiada odpowiednio brakowi zmiany parzystości lub zmianie parzystości. Jak wspomniano, szczególny przypadek przejścia Fermi 0 + → 0 + (które w rozpadzie gamma jest absolutnie zabronione) jest określany jako super dozwolony dla rozpadu beta i przebiega bardzo szybko, jeśli rozpad beta jest możliwy. W poniższej tabeli wymieniono wartości Δ J i Δπ dla kilku pierwszych wartości  L :

Zakaz Δ J π
Superdozwolone 0 + → 0 + nie
Dozwolony 0, 1 nie
Pierwszy zakaz 0, 1, 2 TAk
Drugi zakaz 1, 2, 3 nie
Trzeci zakaz 2, 3, 4 TAk

Podobnie jak w przypadku rozpadu gamma, każdy stopień zwiększenia zakazu zwiększa okres półtrwania procesu rozpadu beta o czynnik około 4 do 5 rzędów wielkości.

W laboratorium zaobserwowano podwójny rozpad beta , np. w82
Se
. Eksperymenty geochemiczne również wykazały ten rzadki rodzaj zakazanego rozpadu w kilku izotopach. ze średnim okresem półtrwania powyżej 10 18  lat .

W fizyce ciała stałego

Zakazane przejścia w atomach ziem rzadkich, takich jak erb i neodym, sprawiają, że są one przydatne jako domieszki w mediach laserowych na ciele stałym. W takich ośrodkach atomy są utrzymywane w matrycy, która uniemożliwia im deekscytację w wyniku zderzenia, a długi okres półtrwania ich stanów wzbudzonych ułatwia ich pompowanie optyczne w celu wytworzenia dużej populacji wzbudzonych atomów. Szkło domieszkowane neodymem czerpie swoje niezwykłe zabarwienie z zakazanych przejść f - f w atomie neodymu i jest stosowane w laserach o bardzo dużej mocy na ciele stałym . Masowe przejścia półprzewodnikowe mogą być również zakazane przez symetrię, która zmienia funkcjonalną formę widma absorpcji, co można pokazać na wykresie Tauca .

W astrofizyce i fizyce atomowej

Zabronione linie emisyjne zaobserwowano bardzo niskiej gęstości gazów i osocza , albo w przestrzeni zewnętrznej lub w skrajnej górnej warstwie atmosfery na Ziemi . W środowiskach kosmicznych gęstość może wynosić tylko kilka atomów na centymetr sześcienny , co sprawia, że ​​zderzenia atomów są mało prawdopodobne. W takich warunkach, gdy atom lub cząsteczka zostanie z jakiegoś powodu wzbudzona do stanu metastabilnego, prawie na pewno ulegnie rozpadowi, emitując foton o zakazanej linii. Ponieważ stany metastabilne są dość powszechne, zakazane przejścia odpowiadają za znaczny procent fotonów emitowanych przez gaz o ultraniskiej gęstości w kosmosie. W niektórych urządzeniach laboratoryjnych, takich jak pułapki jonowe z wiązką elektronów i pierścienie magazynujące jony , rutynowo obserwuje się zabronione przejścia w wysoko naładowanych jonach, powodujące emisję widzialnych, próżniowo-ultrafioletowych, miękkich fotonów rentgenowskich i fotonów rentgenowskich. gęstości są wystarczająco niskie, aby zabroniona emisja liniowa wystąpiła, zanim atomy zostaną zdewzbudzone kolizyjnie . Wykorzystując techniki spektroskopii laserowej , zabronione przejścia są wykorzystywane do stabilizacji zegarów atomowych i kwantowych, które mają najwyższą dostępną obecnie dokładność.

Zakazane linie azotu ([N II] przy 654,8 i 658,4 nm ), siarki ([S II] przy 671,6 i 673,1 nm) i tlenu ([O II] przy 372,7 nm i [O III] przy 495,9 i 500,7 nm ) są powszechnie obserwowane w plazmach astrofizycznych . Linie te są ważne dla bilansu energetycznego z mgławic planetarnych i regionami H II . Zabroniona 21-centymetrowa linia wodoru jest szczególnie ważna dla radioastronomii, ponieważ pozwala zobaczyć bardzo zimny, neutralny gaz wodorowy. Ponadto obecność zabronionych linii [OI] i [S II] w widmach gwiazd T-tauri implikuje niską gęstość gazu.

Notacja

Zabronione przejścia między liniami zaznacza się umieszczając nawiasy kwadratowe wokół danej formy atomowej lub molekularnej, np. [O III] lub [S II].

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Osterbrock, DE , Astrofizyka mgławic gazowych i aktywnych jąder galaktycznych , University Science Books, 1989 , ISBN  0-935702-22-9 .
  • Heinrich Beyer, Heinrich F. Beyer, H.-Jürgen Kluge, H.-J. Kluge, Wiaczesław Pietrowicz Szevelko, Promieniowanie rentgenowskie wysoko naładowanych jonów , Springer Science & Business Media, 1997, ISBN  978-3-540-63185-9 .
  • Gillaspy, John, redaktor, Trapping Highly Charged Ions: Fundamentals and Applications , pod redakcją Johna Gillaspy'ego. Opublikowane przez Nova Science Publishers, Inc. , Huntington, NY, 1999, ISBN  1-56072-725-X .
  • Wolfgang Quint, Manuel Vogel, redaktorzy, Fundamental Physics in Particle Traps , Springer Tracts in Modern Physics, tom 256 2014, ISBN  978-3-642-45200-0 .