Введение

В спектроскопии запрещенный механизм (запрещенный переход или запрещенная линия) – это спектральная линия, связанная с поглощением или испусканием фотонов атомными ядрами, атомами или молекулами, которые претерпевают переход, не разрешенный определенным правилом отбора, но разрешенный, если не используется приближение, лежащее в основе этого правила. Например, в ситуации, когда, согласно общепринятым приближениям (таким как дипольное приближение для взаимодействия со светом), процесс невозможен, но на более высоком уровне приближения (например, магнитный диполь или электрический квадруполь) процесс становится разрешенным, хотя и с низкой скоростью. Примером служит фосфоресцирующее свечение темных материалов, которые поглощают свет и образуют возбужденное состояние, распад которого включает в себя изменение спина, и поэтому запрещен дипольными переходами. В результате свет излучается медленно в течение минут или часов. Если атомное ядро, атом или молекула переводится в возбужденное состояние, и переходы формально запрещены, все равно существует небольшая вероятность их спонтанного осуществления. Точнее, существует определенная вероятность того, что данная возбужденная система совершит запрещенный переход в состояние с более низкой энергией в единицу времени; по определению, эта вероятность значительно ниже, чем для любого перехода, разрешенного правилами отбора. Поэтому, если система может дезактивироваться посредством разрешенного перехода (или иным способом, например, через столкновения), она почти наверняка сделает это до того, как произойдет какой-либо переход по запрещенному каналу. Тем не менее, большинство запрещенных переходов лишь относительно маловероятны: состояния, которые могут распадаться только таким образом (так называемые метастабильные состояния), обычно имеют время жизни порядка миллисекунд – секунд, в то время как время жизни при распадах через разрешенные переходы составляет менее микросекунды. В некоторых системах радиоактивного распада несколько уровней запрещенности могут увеличивать время жизни на много порядков величины с каждым дополнительным отклонением системы от наиболее разрешенного перехода согласно правилам отбора. Такие возбужденные состояния могут существовать годами или даже миллиардами лет (слишком долго для проведения измерений).

Гамма-распад

Наиболее распространенным механизмом подавления скорости гамма-распада возбужденных атомных ядер и, таким образом, обеспечения возможности существования метастабильного изомера для ядра, является отсутствие пути распада для возбужденного состояния, который изменит ядерный угловой момент (вдоль любого заданного направления) на наиболее вероятное (разрешенное) значение – 1 квантовую единицу спинового углового момента. Такое изменение необходимо для испускания гамма-кванта, который имеет спин 1 в данной системе. Возможны изменения углового момента на 2, 3, 4 и более единиц (испускаемые фотоны уносят дополнительный угловой момент), но изменения более чем на 1 единицу известны как запрещенные переходы. Каждая степень запрещенности (дополнительная единица изменения спина, превышающая 1, которую должен унести испущенный гамма-квант) замедляет скорость распада примерно в 5 порядков величины. Наибольшее известное изменение спина в 8 единиц наблюдается при распаде Ta-180m, что подавляет его распад в 1035 раз по сравнению с изменением на 1 единицу, в результате чего вместо естественного периода полураспада гамма-распада в 10−12 секунд, он имеет период полураспада более 1023 секунд, или, по крайней мере, 3 x 1015 лет, и, следовательно, его распад до сих пор не наблюдался. Хотя гамма-распад с изменениями ядерного углового момента на 2, 3, 4 и т. д. является запрещенным, он лишь относительно запрещен и все же происходит, но с меньшей скоростью, чем нормальное разрешенное изменение на 1 единицу. Однако гамма-излучение абсолютно запрещено, когда ядро начинает и заканчивает в состоянии с нулевым спином, поскольку такое излучение не сохраняло бы угловой момент. Эти переходы не могут происходить посредством гамма-распада, но должны протекать другим путем, например, посредством бета-распада в некоторых случаях или внутреннего преобразования, когда бета-распад не является предпочтительным.

В физике твердого тела

Запрещенные переходы в атомах редкоземельных элементов, таких как эрбий и неодим, делают их полезными в качестве допантов для твердотельных лазерных сред. В таких средах атомы удерживаются в матрице, которая предотвращает их дезактивацию при столкновениях, а длительное время жизни их возбужденных состояний облегчает оптическую накачку для создания большой популяции возбужденных атомов. Неодимовое стекло приобретает свой необычный цвет благодаря запрещенным f-f переходам внутри атома неодима и используется в твердотельных лазерах высокой мощности. Переходы в объемных полупроводниках также могут быть запрещены симметрией, что изменяет функциональную форму спектра поглощения, что можно продемонстрировать на диаграмме Тауца.

В астрофизике и атомной физике

Запрещенные эмиссионные линии наблюдаются в газах и плазме с чрезвычайно низкой плотностью, как в космическом пространстве, так и в верхних слоях атмосферы Земли, а также в ионных накопительных кольцах, где в обоих случаях остаточная плотность газа достаточно низка для возникновения запрещенного излучения до столкновительного дезбуждения атомов. С помощью методов лазерной спектроскопии запрещенные переходы используются для стабилизации атомных и квантовых часов, обладающих на сегодняшний день наивысшей доступной точностью. Запрещенные линии азота ([N II] на длинах волн 654,8 и 658,4 нм), серы ([S II] на длинах волн 671,6 и 673,1 нм) и кислорода ([O II] на длине волны 372,7 нм и [O III] на длинах волн 495,9 и 500,7 нм) обычно наблюдаются в астрофизической плазме. Эти линии играют важную роль в энергетическом балансе планетарных туманностей и областей H II. Запрещенная 21-сантиметровая водородная линия особенно важна для радиоастрономии, поскольку позволяет наблюдать очень холодный нейтральный газообразный водород. Наличие запрещенных линий [O I] и [S II] в спектрах звезд типа T Тельца указывает на низкую плотность газа.

Обозначение

Запрещенные переходы отмечаются квадратными скобками вокруг соответствующего атома или молекулы, например, [O III] или [S II].