Кіріспе

Кванттық ауысулар, ең тікелей механизмде рұқсат етілмейтін
Спектроскопияда тыйым салынған механизм (тыйым салынған ауысу немесе тыйым салынған сызық) – атом ядролары, атомдар немесе молекулалар фотондарды сіңіру немесе шығару арқылы болатын, белгілі бір таңдау ережесімен рұқсат етілмейтін, бірақ егер осы ережеге байланысты жуықтау қолданылмаса, рұқсат етілетін спектрлік сызық. Мысалы, әдеттегі жуықтауларға сәйкес (жарықпен өзара әрекеттесу үшін электр диполі жуықтауы сияқты), процесс жүрмейді, бірақ жуықтаудың жоғары деңгейінде (мысалы, магниттік диполь немесе электр квадруполі) процесс рұқсат етіледі, бірақ төмен жылдамдықпен. Мысалы, қараңғыда жарқырағыш материалдардың фосфоресценциясы, олар жарықты сіңіріп, қозған күйге өтеді, оның ыдырауы спиннің өзгеруін қамтиды, сондықтан электр диполі ауысуларына тыйым салынған. Нәтижесінде жарық бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейін баяу шығарылады. Егер атом ядросы, атом немесе молекула қозған күйге көтерілсе және ауысулар номиналды түрде тыйым салынған болса, олардың спонтанды түрде пайда болуының әлдеқандай ықтималдығы бар. Нақтырақ айтқанда, мұндай қозған объектінің уақыт бірлігіне төмен энергиялық күйге тыйым салынған ауысу жасауының белгілі бір ықтималдығы бар; анықтама бойынша, бұл ықтималдық таңдау ережелерімен рұқсат етілген кез келген ауысуға қарағанда әлдеқайда төмен. Сондықтан, егер күй рұқсат етілген ауысу арқылы (немесе басқа жолмен, мысалы, соқтығысу арқылы) ыдыраса, ол тыйым салынған жолмен кез келген ауысу жүрмес бұрын, осылай істейді. Дегенмен, тыйым салынған ауысулардың көпшілігі салыстырмалы түрде ғана аз мүмкіндікке ие: тек осы жолмен ғана ыдырай алатын күйлер (метатұрақты күйлер деп аталады) әдетте миллисекундтар мен секундтарға дейін өмір сүреді, рұқсат етілген ауысулар арқылы ыдырау үшін микросекундтан кем. Кейбір радиоактивті ыдырау жүйелерінде тыйым салудың бірнеше деңгейі жүйеге таңдау ережелері бойынша рұқсат етілгеннен тыс өзгерістер енгізетін әрбір қосымша бірлік үшін өмір сүру уақытын көп есе ұзартуы мүмкін. Мұндай қозған күйлер жылдар бойы, тіпті миллиардтаған жылдар бойы сақталуы мүмкін (өлшеуге тым ұзақ).

Гамма ыдырауы

Қозған атом ядроларының гамма-ыдырауының жылдамдығын басудың ең көп таралған механизмі, соның нәтижесінде ядро үшін метатұрақты изомердің болуы мүмкін, – ядролық бұрыштық импульстің (кез келген бағыт бойынша) ең көп кездесетін (рұқсат етілген) 1 спин бұрыштық импульсінің кванттық бірлігі мөлшерінде өзгеруіне мүмкіндік бермейтін, қозылған күйдегі ыдырау жолының болмауы. Мұндай өзгеріс гамма-сәуле фотонын шығару үшін қажет, оның спині бұл жүйеде 1 бірлікке тең. Бұрыштық импульстің 2, 3, 4 және одан да көп бірліктерінің интегралды өзгерістері мүмкін (шығарылған фотондар қосымша бұрыштық импульсті алып кетеді), бірақ 1 бірліктен артық өзгерістер тыйым салынған ауысулар деп аталады. Тыйым салынған әрбір дәреже (шығарылған гамма-сәуле алып жүруі тиіс 1-ден үлкен спиннің қосымша бірлігі) ыдырау жылдамдығын шамамен 5 ретке дейін төмендетеді. 8 бірлікке дейінгі ең жоғары спиндік өзгеріс Ta 180m ыдырауында байқалады, бұл оның ыдырауын 1 бірлікке сәйкес келетін ыдыраудан 1035 есеге азайтады, сондықтан табиғи гамма-ыдырауының жартылай өмір мерзімі 10−12 секунд емес, оның жартылай өмір мерзімі 1023 секундтан астам немесе кем дегенде 3 x 1015 жыл, сондықтан ол әлі ыдырауы байқалған жоқ. Гамма-ыдырауының ядролық бұрыштық импульсінің 2, 3, 4 және т.б. өзгерістері тыйым салынғанмен, олар тек салыстырмалы түрде тыйым салынған және жүзеге асырылады, бірақ 1 бірліктің рұқсат етілген нормалық өзгерісінен баяу. Алайда, гамма-эмиссия ядроның нөлдік спин күйінде басталып, аяқталуында мүлдем тыйым салынған, өйткені мұндай эмиссия бұрыштық импульсті сақтамайды. Бұл ауысулар гамма-ыдырау арқылы жүрмейді, бірақ кейбір жағдайларда бета-ыдырау немесе бета-ыдыраудың қолайсыздығы бар ішкі түрлендіру сияқты басқа жолмен жүруі керек.

Қатты дене физикасында

Ербий және неодим сияқты сирек жер атомдарындағы тыйым салынған ауысулар оларды қатты күйдегі лазерлік орталарға допанттар ретінде қосуға мүмкіндік береді. Мұндай орталарда атомдар соқтығысу нәтижесінде энергиясын жоғалтуына кедерес жасайтын матрицада ұсталады, ал олардың қозу күйінің ұзақ сақталу мерзімі, оларды көптеген қозу күйіндегі атомдарды жасау үшін оптикалық әдіспен сорғылауды жеңілдетеді. Неодим қосылған шыны, неодим атомы ішіндегі тыйым салынған f-f ауысуларынан туындайтын ерекше түсіне ие және өте жоғары қуатты қатты күйдегі лазерлерде қолданылады. Симметрия салдарынан жартылай өткізгіштердегі ауысулар да тыйым салынуы мүмкін, бұл сіңіру спектрінің функционалдық формасын өзгертеді, және бұл Таук графигінде көрсетіледі.

Астрофизика және атом физикасы

Тыйым салынған эмиссия сызықтары өте төмен тығыздықтағы газдар мен плазмаларда байқалды, олар ғарыш кеңістігінде немесе Жердің ең жоғарғы атмосферасында, сондай-ақ ион сақтау сақиналарында кездеседі. Екі жағдайда да қалдық газ тығыздығы атомдар соқтығысу нәтижесінде энергиясын жойғанша тыйым салынған сызықтың эмиссиясы пайда болуына жеткілікті түрде төмен болады. Лазерлік спектроскопия әдістерін қолдану арқылы тыйым салынған ауысулар қазіргі уақытта қол жетімді ең жоғары дәлдікке ие атомдық және кванттық сағаттарды тұрақтандыру үшін пайдаланылады. Астрофизикалық плазмаларда азоттың ([N II] 654,8 және 658,4 нм), күкірттің ([S II] 671,6 және 673,1 нм) және оттегінің ([O II] 372,7 нм, және [O III] 495,9 және 500,7 нм) тыйым салынған сызықтары жиі кездеседі. Бұл сызықтар планеталық тұмандықтар мен H II аймақтарының энергиялық тепе-теңдігі үшін маңызды. Тыйым салынған 21 см сутегі сызығы радиоастрономия үшін ерекше маңызды, себебі ол өте суық бейтарап сутегі газын көруге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, Т Таури жұлдыздары спектрінде [O I] және [S II] тыйым салынған сызықтарының болуы газдың төмен тығыздығын көрсетеді.

Нөмірлік

Тыйым салынған спектрлік өтулер сұрақ тудырған атомдық немесе молекулалық түрлердің айналасына тік жақшалар қою арқылы көрсетіледі, мысалы, [O III] немесе [S II].