Запрещенный механизм

редактировать

В спектроскопия, запрещенный механизм (запрещенный переход или запрещенная линия ) - это спектральная линия, связанная с поглощением или испусканием фотонов атомные ядра, атомы или молекулы, которые претерпевают переход, который не разрешен конкретным правилом выбора , но разрешен, если приближение, связанное с это правило не соблюдается. 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 гораздо меньшей скоростью.

Примером являются фосфоресцентные светящиеся в темноте материалы, 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 подняли до возбужденного состояния. 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 метастабильные состояния), обычно имеют время жизни от миллисекунд до секунд, по сравнению с менее чем микросекунды для распад 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. Такие возбужденные состояния могут длиться годы или даже многие миллиарды лет (слишком долго, чтобы их можно было измерить).

Содержание

  • 1 При радиоактивном распаде
    • 1.1 Гамма-распад
    • 1.2 Бета-распад
  • 2 В физике твердого тела
  • 3 В астрофизике и атомной физике
    • 3.1 Обозначение
  • 4 Ссылки
  • 5 Дополнительная литература

При радиоактивном распаде

Гамма-распад

Наиболее распространенный механизм подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер и, таким образом, делает возможным существование метастабильного изомера для ядра, является отсутствие пути распада для возбужденного состояния, который изменит ядерный угловой момент (вдоль любого заданного направления) на наиболее обычную (разрешенную) величину 1 квантовая единица ℏ {\ displaystyle \ hbar}\ hbar of spin 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 испускаемый гамма-луч) снижает скорость распада примерно на 5 порядков. Наибольшее известное изменение спина в 8 единиц происходит при распаде Ta-180m, что подавляет его распад в 10 раз по сравнению с 1 единицей, так что вместо естественного периода полураспада гамма-распада 10 секунд, его период полураспада составляет более 10 секунд, или, по крайней мере, 3 x 10 лет, и, следовательно, его 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 продолжаются, но с меньшей 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 посредством гамма-распада, но должны происходить по другому пути, например, бета-распад в некоторых случаях или внутреннее преобразование, где бета-распад не приветствуется.

Бета-распад

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 излучения. Этот тип излучения является сверхразрешенным, что означает, что это самый быстрый тип бета-распада в ядрах, чувствительных к изменению соотношения 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 отбора ядер требуют, чтобы L-значения больше двух сопровождались изменениями как ядерного спина (J), так и четности (π). Правила выбора L-го запрещенных переходов:

Δ J = L - 1, L, L + 1; Δ π знак равно (- 1) L, {\ displaystyle \ Delta J = L-1, L, L + 1; \ Delta \ pi = (- 1) ^ {L},}\ Delta J = L-1, L, L + 1; \ Delta \ pi = (- 1) ^ {L},

где Δπ = 1 или - 1 соответствует отсутствию изменения четности или изменению 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 ΔJ и Δπ для первых нескольких значений L:

ЗапрещениеΔJΔπ
Сверхразрешено0 → 0нет
Разрешено0, 1нет
Первый запрещен0, 1, 2да
Второй запрещен1, 2, 3нет
Третий запрет2, 3, 4да

Как и в случае гамма-распада, каждая степень увеличения запрета увеличивает половину Продолжительность процесса бета-распада, включенного в 4-5 порядков величины.

Двойной бета-распад наблюдался в лаборатории, например в . Se.. Геохимические эксперименты также обнаружили этот редкий тип запрещенного распада у нескольких изотопов. со средним периодом полураспада более 10 лет.

В физике твердого тела

Запрещенные переходы в атомах редкоземельных элементов, таких как эрбий и неодим, делают их полезными в качестве легирующих примесей для твердотельных лазерных сред. В таких средах атомы удерживаются в матрице, которая удерживает их от снятия возбуждения в результате 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 с очень высокой мощностью . Объемные полупроводниковые переходы также могут быть запрещены из-за симметрии, которая изменяет функциональную форму спектра поглощения, как может быть показано на графике Таука.

В астрофизике и атомной физике

Запрещенные линии излучения наблюдались в газах с чрезвычайно низкой плотностью и плазме, либо в космическом пространстве, либо в экстремальных верхних слоях атмосферы Земли. 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, 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 заряженных ионах, приводящие к излучению видимых, вакуумных ультрафиолетовых, мягких рентгеновских и рентгеновских фотонов, обычно наблюдаются в некоторых лабораторных устройствах, таких как ионные ловушки с электронным пучком и ионные накопительные кольца, где в обоих случаях плотности остаточного газа достаточно низки для того, чтобы излучение запрещенных линий произошло до того, как атомы будут столкновительно девозбуждены. 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 кислород ([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 21-сантиметровая водородная линия особенно важна для радиоастрономии, поскольку 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].

Ссылки

Дополнительная литература

Последняя правка сделана 2021-05-20 10:54:42
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте