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).
In spectroscopy, a forbidden mechanism (forbidden transition or forbidden line) is a spectral line associated with absorption or emission of photons by atomic nuclei, atoms, or molecules which undergo a transition that is not allowed by a particular selection rule but is allowed if the approximation associated with that rule is not made. For example, in a situation where, according to usual approximations (such as the electric dipole approximation for the interaction with light), the process cannot happen, but at a higher level of approximation (e. g. magnetic dipole, or electric quadrupole) the process is allowed but at a low rate. An example is phosphorescent glow in the dark materials, which absorb light and form an excited state whose decay involves a spin flip, and is therefore forbidden by electric dipole transitions. The result is emission of light slowly over minutes or hours. Should an atomic nucleus, atom or molecule be raised to an excited state and should the transitions be nominally forbidden, then there is still a small probability of their spontaneous occurrence. More precisely, there is a certain probability that such an excited entity will make a forbidden transition to a lower energy state per unit time; by definition, this probability is much lower than that for any transition permitted or allowed by the selection rules. Therefore, if a state can de excite via a permitted transition (or otherwise, e. g. via collisions) it will almost certainly do so before any transition occurs via a forbidden route. Nevertheless, most forbidden transitions are only relatively unlikely: states that can only decay in this way (so called meta stable states) usually have lifetimes on the order milliseconds to seconds, compared to less than a microsecond for decay via permitted transitions. In some radioactive decay systems, multiple levels of forbiddenness can stretch life times by many orders of magnitude for each additional unit by which the system changes beyond what is most allowed under the selection rules. Such excited states can last years, or even for many billions of years (too long to have been measured).
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].