Tiltott mechanizmus - Forbidden mechanism

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A spektroszkópiában egy tiltott mechanizmus ( tiltott átmenet vagy tiltott vonal ) az a spektrumvonal, amely atom atomok , atomok vagy molekulák fotonok abszorpciójához vagy emissziójához kapcsolódik , és amely olyan átmeneten megy keresztül, amelyet egy adott szelekciós szabály nem engedélyez, de megengedett, ha a szabályhoz kapcsolódó közelítés nem történik meg. Például egy olyan helyzetben, ahol a szokásos közelítések szerint (például a dipólus elektromos közelítése a fénnyel való kölcsönhatáshoz) a folyamat nem történhet meg, de magasabb közelítési szinten (pl. Mágneses dipól vagy elektromos kvadrupol ) a folyamat megengedett, de alacsony sebességgel.

Ilyen például a sötétben világító foszforeszkáló anyagok, amelyek elnyelik a fényt és olyan gerjesztett állapotot képeznek, amelynek bomlása spin-flip-el jár, és ezért elektromos dipólus-átmenet tiltja. Ennek eredménye a fénykibocsátás lassan percek vagy órák alatt.

Ha egy atommagot , atomot vagy molekulát gerjesztett állapotba kell emelni, és az átmeneteket nominálisan meg kell tiltani, akkor spontán előfordulásuk még mindig kicsi. Pontosabban, van egy bizonyos valószínűség, hogy egy ilyen gerjesztett entitás időegységenként tiltottan lép át alacsonyabb energiaállapotba; definíció szerint ez a valószínűség sokkal alacsonyabb, mint bármely, a kiválasztási szabályok által megengedett vagy megengedett átmenet esetén. Ezért, ha egy állam képes gerjeszteni egy megengedett átmenet útján (vagy más módon, például ütközések révén), akkor szinte biztosan megteszi ezt, mielőtt bármilyen átmenet megtörténne egy tiltott úton. Mindazonáltal a legtöbb tiltott átmenet csak viszonylag valószínűtlen: azok az állapotok, amelyek csak így bomlanak le (úgynevezett meta-stabil állapotok), általában ezredmásodpercek és másodpercek közötti élettartammal rendelkeznek, szemben az engedélyezett átmenetek során bekövetkező bomlásnál kevesebb, mint mikroszekundummal. Egyes radioaktív bomlórendszerekben a tiltás több szintje sok nagyságrenddel meghosszabbíthatja az élettartamot minden további egységnél, amellyel a rendszer megváltozik, meghaladva azt, amit a kiválasztási szabályok megengednek. Az ilyen izgatott állapotok évekig, vagy akár sok milliárd évig is eltarthatnak (túl sokáig mértek).

Radioaktív bomlásban

Gamma bomlás

A gerjesztett atommagok gamma-bomlási sebességének elnyomásának leggyakoribb mechanizmusa, és ezáltal lehetővé teszi a mag számára egy metastabil izomer létezését, az a gerjesztett állapot bomlási útvonalának hiánya, amely megváltoztatja a nukleáris szöget. adott irány) a spin szögmomentum 1 kvantumegységének leggyakoribb (megengedett) mennyiségével . Ilyen változás szükséges egy gammasugár foton kibocsátásához, amelynek spinje 1 egység ebben a rendszerben. 2, 3, 4 és még több egység integrált változásai lehetségesek a szögimpulzusban (a kibocsátott fotonok továbbviszik a további szögmomentumot), de az 1 egységnél nagyobb változásokat tiltott átmeneteknek nevezzük. A tiltás minden foka (a centrifugálási változás 1-nél nagyobb egysége, amelyet a kibocsátott gammasugárnak hordoznia kell) körülbelül 5 nagyságrenddel gátolja a bomlási sebességet. A legmagasabb ismert 8 egységes spinváltozás a Ta-180m bomlásakor következik be , amely 10 35 -szörös tényezővel elnyomja bomlását az 1 egységhez képest, így a természetes gamma bomlási felezési ideje 10 −12 másodperc, felezési ideje meghaladja a 10 23 másodpercet, vagy legalább 3 x 10 15 évet, ezért még nem kellett megfigyelni, hogy lebomlik.

Bár a gamma bomlása 2, 3, 4 stb. Nukleáris szögimpulzus-változtatással tilos, csak viszonylag tilos, és folytatódik, de a normál megengedett 1 egység változásnál lassabb sebességgel. A gamma-emisszió azonban abszolút tilos, ha a mag nulla-spin-állapotban kezdődik, mivel egy ilyen emisszió nem konzerválná a szöget. Ezek az átmenetek nem fordulhatnak elő gamma-bomlás útján, hanem más úton kell haladniuk, például egyes esetekben a béta-bomlás , vagy a belső átalakítás során, ahol a béta-bomlást nem részesítik előnyben.

Béta bomlás

Béta-bomlás szerint van osztályozva az L -érték a kibocsátott sugárzás. A gamma-bomlással ellentétben a béta-bomlás a nulla és egyenletes paritású spinű magból a nulla és egyenletes paritású (Fermi-átmenet) spinjéig terjedhet. Ez azért lehetséges, mert a kibocsátott elektron és neutrino lehet ellentétes spinű (a sugárzás teljes szögimpulzusát nulla értékkel adhatja meg), így megőrizve a kiindulási állapot szögmomentumát akkor is, ha a mag az emisszió előtt és után spin-nulla marad. Ez a fajta kibocsátás szuper-megengedett, vagyis a leggyorsabb béta-bomlási típus azokban a magokban, amelyek érzékenyek a béta-bomlási folyamatot kísérő proton / neutron arány változására.

A béta bomlás során kibocsátott elektron és neutrino következő lehetséges teljes szögmomentuma 1 kombinált spinje (az elektron és a neutrino ugyanabban az irányban forog), és megengedett. Ez a fajta emisszió ( Gamow-Teller átmenet ) 1-vel megváltoztatja a nukleáris centrifugálást a kompenzáció érdekében. A kibocsátott sugárzás magasabb szögmomentumát (2, 3, 4 stb.) Érintő állapotok tilosak, és növekvő szögmomentumuk szerint a tiltás mértékébe sorolandók.

Pontosabban, amikor L > 0, a bomlást tiltottnak nevezik. A nukleáris szelekció szabályai megkövetelik, hogy a kettőnél nagyobb L-értékeket mind a nukleáris spin  ( J ), mind a paritás  (π) változása kísérje . Az L- es tiltott átmenetek kiválasztási szabályai a következők

ahol Δπ = 1 vagy −1 nem felel meg paritásváltozásnak, ill. Amint megjegyeztük, a Fermi 0 + → 0 + átmenet speciális esetét (amely a gamma-bomlásban abszolút tilos) a béta-bomlás szuperengedélyének nevezzük, és nagyon gyorsan halad, ha a béta-bomlás lehetséges. Az alábbi táblázat felsorolja az L első néhány értékének Δ J és Δπ értékeit  :

Tilalom Δ J Δπ
Engedélyezett 0 + → 0 + nem
Megengedett 0, 1 nem
Először tilos 0, 1, 2 Igen
Második tilos 1, 2, 3 nem
Harmadik tilos 2, 3, 4 Igen

A gamma-bomláshoz hasonlóan a növekvő tiltás minden foka körülbelül 4-5 nagyságrenddel megnöveli a béta-bomlási folyamat felezési idejét.

Kettős béta bomlást figyeltek meg a laboratóriumban, pl82
Se
. A geokémiai kísérletek több izotópban is megtalálták ezt a ritka tiltott bomlástípust. átlagos felezési ideje meghaladja a 10 18  évet.

A szilárdtestfizikában

Tiltott átmenetek ritkaföldfém atomok, mint például erbium , és neodímium hasznossá teszik őket, mint dópoló a szilárdtest lézeranyagot média. Ilyen közegben az atomok egy olyan mátrixban vannak tartva, amely megakadályozza, hogy ütközés hatására ne legyenek izgalmasak, és gerjesztett állapotuk hosszú felezési ideje megkönnyíti őket optikai pumpálásuk révén, hogy nagy gerjesztett atomcsoportot hozzanak létre. A neodímiummal adalékolt üveg szokatlan színét a neodímium atomján belüli tiltott f - f átmenetek okozzák, és rendkívül nagy teljesítményű szilárdtest lézerekben használják . A tömeges félvezető- átmeneteket a szimmetria is megtilthatja , amelyek megváltoztatják az abszorpciós spektrum funkcionális formáját, amint azt egy Tauc-diagram mutatja .

Az asztrofizikában és az atomfizikában

Tiltott emissziós vonalakat figyeltek meg rendkívül kis sűrűségű gázokban és plazmákban , akár a világűrben , akár a Föld legkülső felső légkörében . A világűrben a sűrűség köbcentiméterenként csak néhány atom lehet , ami valószínűtlenné teszi az atomütközéseket. Ilyen körülmények között, ha egy atom vagy molekula bármilyen okból meta-stabil állapotba került, akkor szinte biztos, hogy egy tiltott vonalú foton kibocsátásával bomlik le. Mivel a meta-stabil állapotok meglehetősen gyakoriak, a tiltott átmenetek az űrben található ultrakisűrűségű gáz által kibocsátott fotonok jelentős részét teszik ki. Bizonyos laboratóriumi eszközökben, például elektronnyaláb-ioncsapdákban és iontároló gyűrűkben , rutinszerűen megfigyelhetőek a magas töltésű ionokban a látható, vákuum-ultraibolya, lágy röntgen- és röntgenfotonok kibocsátását eredményező tiltott átmenetek. a sűrűség elég alacsony ahhoz, hogy az atomok kollíziós gerjesztése előtt megtörténjen a tiltott vonalemisszió. Használata lézerspektroszkópia technikák tiltott átmenetek stabilizálják atomórák és a kvantum órák , amelyek a legnagyobb pontosságot jelenleg elérhető.

Tilos a nitrogén ([N II] 654,8 és 658,4 nm-en ), a kén ([S II] 671,6 és 673,1 nm-en) és az oxigén ([O II] 372,7 nm- nél, és [O III] 495,9 és 500,7 nm-nél. ) általában asztrofizikai plazmákban figyelhetők meg . Ezek a vonalak fontosak a bolygói ködök és a H II régiók energiamérlege szempontjából . A tiltott 21 cm-es hidrogénvezeték különösen fontos a rádiócsillagászat szempontjából , mivel nagyon hideg, semleges hidrogéngáz megjelenését teszi lehetővé. Ezenkívül az [OI] és [S II] tiltott vonalak jelenléte a T-tauri csillagok spektrumában alacsony gázsűrűségre utal.

Jelölés

A tiltott vonalátmeneteket szögletes zárójelekkel helyezzük el a kérdéses atom- vagy molekuláris fajok körül, pl. [O III] vagy [S II].

Hivatkozások

További irodalom

  • Osterbrock, DE , Gáznemű ködök és aktív galaktikus magok asztrofizikája , University Science Books, 1989 , ISBN  0-935702-22-9 .
  • Heinrich Beyer, Heinrich F. Beyer, H.-Jürgen Kluge, H.-J. Kluge, Viatcheslav Petrovich Shevelʹko, Töltött ionok röntgensugárzása , Springer Science & Business Media, 1997, ISBN  978-3-540-63185-9 .
  • Gillaspy, John, szerkesztő, Magasan feltöltött ionok csapdázása: alapok és alkalmazások , szerkesztette: John Gillaspy. Kiadja a Nova Science Publishers, Inc. , Huntington, NY, 1999, ISBN  1-56072-725-X .
  • Wolfgang Quint, Manuel Vogel, szerkesztők, Fundamental Physics in Particle Traps , Springer Tracts in Modern Physics, 256. évfolyam, 2014, ISBN  978-3-642-45200-0 .