Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В спектроскопии , запрещен механизм ( запрещен переход или запрещен линии ) является спектральная линия , связанная с поглощением или испусканием фотонов атомных ядер , атомов или молекул , которые претерпевают переход , который не допускается по определенному правилу отбора , но допускается , если приближение, связанное с этим правилом, не делается. [1] Например, в ситуации, когда в соответствии с обычными приближениями (такими 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 разрешен, но с низкой скоростью.

Примером могут служить фосфоресцирующие светящиеся в темноте материалы [2], которые поглощают свет и образуют возбужденное состояние, распад которого включает переворот спина и, следовательно, 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 молекула будут переведены 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 для 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 называемыеметастабильные состояния) обычно имеют время жизни от миллисекунд до секунд, по сравнению с менее чем микросекунды для распада через разрешенные переходы. В некоторых системах радиоактивного распада 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. [ необходима цитата ] Такие возбужденные состояния могут длиться годы или даже многие миллиарды лет (слишком долго, чтобы их можно было измерить).

В радиоактивном распаде [ править ]

Гамма-распад [ править ]

Наиболее распространенный механизм подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер и, таким образом, делает возможным существование метастабильного изомера для ядра, - это отсутствие пути распада возбужденного состояния, которое изменит угловой момент ядра (по любому Данное направление) по наиболее распространенному (разрешенному) размеру 1 квантового блока от спинового вращательного момента . Такое изменение необходимо для излучения 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 испускаемый гамма-луч) снижает 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 1 единицей, так что вместо естественного периода полураспада гамма-распада 10 - 12 секунд, период полураспада более 1023 секунды, или, по крайней мере, 3 x 10 15 лет, и, таким образом, распад еще не наблюдался.

Хотя гамма-распады с изменением углового момента ядра на 2, 3, 4 и т. Д. Запрещены, они только относительно запрещены и происходят, но с более медленной скоростью, чем нормальное допустимое изменение на 1 единицу. Однако гамма-излучение абсолютно запрещено, когда ядро ​​начинается в состоянии с нулевым спином, поскольку такое излучение не сохранит угловой момент. Эти переходы не могут происходить в результате гамма-распада, но должны происходить другим путем, например, в некоторых случаях бета-распадом или внутренним преобразованием, когда бета-распад нежелателен.

Бета-распад [ править ]

Бета-распад классифицируется в соответствии с L- значением 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 испускаемые 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 самый 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. Правила ядерного отбора требуют, чтобы L-значения больше двух сопровождались изменениями как ядерного спина  ( J ), так и четности  (π). Правила выбора L- го запрещенного перехода:

где Δπ = 1 или -1 соответствует отсутствию изменения четности или изменения четности, соответственно. Как уже отмечалось, особый случай перехода Ферми 0 + → 0 + (который в гамма-распаде абсолютно запрещен) называется сверхразрешенным для бета-распада и происходит очень быстро, если бета-распад возможен. В следующей таблице перечислены значения Δ J и Δπ для первых нескольких значений  L :

ЗапретΔ JΔπ
Сверхразрешен0 + → 0 +нет
Позволил0, 1нет
Сначала запрещено0, 1, 2да
Второй запретный1, 2, 3нет
Третий запретный2, 3, 4да

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, в82
Se
. [5] Геохимические эксперименты также обнаружили этот редкий тип запрещенного распада у нескольких изотопов. [6] со средним периодом полураспада более 10 18  лет.

В физике твердого тела [ править ]

Запрещенные переходы в атомах редкоземельных элементов, таких как эрбий и неодим, делают их полезными в качестве примесей для твердотельных лазерных сред. [7] В таких средах атомы удерживаются в матрице, которая удерживает их от возбуждения из-за столкновения, а длительный период полураспада их возбужденных состояний позволяет легко оптически накачивать их для создания большой популяции возбужденных атомов. Стекло, легированное неодимом, приобретает свою необычную окраску из-за запрещенных f - f переходов внутри атома неодима и используется в твердотельных лазерах сверхвысокой мощности . Объемный полупроводникпереходы также могут быть запрещены по симметрии, которые изменяют функциональную форму спектра поглощения, как это может быть показано на графике Таука .

В астрофизике и атомной физике [ править ]

Запрещенные линии излучения наблюдались в крайне низкой плотности газов и плазмы , либо в космическом пространстве или в крайнем верхних слоях атмосферы на Земле . [8] В космической среде плотность может составлять всего несколько атомов на кубический сантиметр , что делает атомные столкновения маловероятными. В таких условиях, если атом или молекула по какой-либо причине были возбуждены в метастабильное состояние, они почти наверняка распадутся, испуская фотон запрещенной линии. Поскольку метастабильные состояния довольно распространены, запрещенные переходы составляют значительный процент фотонов, испускаемых газом сверхнизкой плотности в космосе. Запрещенные переходы ввысоко заряженные ионы, приводящие к испусканию видимых, вакуумных ультрафиолетовых лучей, мягких рентгеновских и рентгеновских фотонов, обычно наблюдаются в некоторых лабораторных устройствах, таких как ионные ловушки электронного пучка [9] и ионные накопители , где в обоих случаях остаточный газ плотности достаточно малы для того, чтобы излучение запрещенных линий произошло до того, как атомы столкнутся со столкновительной девозбуждением. Используя методы лазерной спектроскопии , запрещенные переходы используются для стабилизации атомных часов и квантовых часов, которые имеют наивысшую доступную в настоящее время точность.

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 имеют важное значение для энергетического баланса в планетарных туманностей и областей H II . Запрещенная линия водорода длиной 21 см особенно важна для радиоастрономии, поскольку позволяет видеть очень холодный нейтральный газообразный водород. Также наличие запрещенных линий [OI] и [S II] в спектрах звезд Т-Тельца означает низкую плотность газа.

Обозначение [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Филип Р. Бункер; Пер Дженсен (2006). Молекулярная симметрия и спектроскопия . NRC Research Press. п. 414. ISBN 978-0-660-19628-2.
  2. ^ Лисенский, Джордж 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 . DOI : 10.1021 / ed073p1048 . ISSN 0021-9584 . 
  3. ^ "14.20 Гамма-распад" .
  4. ^ "Типы бета-распада" (PDF) .
  5. ^ Эллиотт, SR; Хан, AA; Мо; МК (1987). «Прямое свидетельство двойного бета-распада двух нейтрино в 82 Se». Письма с физическим обзором . 59 (18): 2020–2023. Bibcode : 1987PhRvL..59.2020E . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.59.2020 . PMID 10035397 . 
  6. Перейти ↑ Barabash, AS (2011). «Эксперимент двойного бета-распада: исторический обзор 75-летних исследований». Физика атомных ядер . 74 (4): 603–613. arXiv : 1104.2714 . Bibcode : 2011PAN .... 74..603B . DOI : 10.1134 / S1063778811030070 . S2CID 118716672 . 
  7. ^ Колесов, Р .; и другие. (2012). «Оптическое обнаружение одиночного иона редкоземельного элемента в кристалле» . Nature Communications . 3 : 1029. Bibcode : 2012NatCo ... 3.1029K . DOI : 10.1038 / ncomms2034 . PMC 3432461 . PMID 22929786 .  
  8. ^ a b "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. Выложите резюме .CS1 maint: другие ( ссылка )
  9. ^ Mäckel, В. и Klawitter, Р. Бреннер, Г. и Креспо Лопес-Уррутиа, JR и Ульрих, J. (2011). «Лазерная спектроскопия запрещенных переходов в захваченных высоко заряженных ионах Ar 13+ ». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество. 107 (14): 143002. Bibcode : 2011PhRvL.107n3002M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.107.143002 . PMID 22107188 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Остерброк, DE , Астрофизика газовых туманностей и активных ядер галактик , University Science Books, 1989 , ISBN 0-935702-22-9 . 
  • Генрих Бейер, Генрих Ф. Бейер, Х.-Юрген Клюге, Х.-Й. Клюге, Вячеслав Петрович Шевелько, Рентгеновское излучение высокозарядных ионов , Springer Science & Business Media, 1997, ISBN 978-3-540-63185-9 . 
  • Гилласпи, Джон, редактор, « Захват высоко заряженных 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», «Тракты Спрингера в современной физике», том 256, 2014 г., ISBN 978-3-642-45200-0 .