금지된 메커니즘

분광학에서 금지된 메커니즘(입금된 전이 또는 금지선)은 특정 선택 규칙에 의해 허용되지 않지만 그 규칙과 관련된 근사치가 이루어지지 않을 경우 허용되는 전환을 겪는 원자핵, 원자 또는 분자에 의한 광자 흡수 또는 방출과 관련된 스펙트럼 라인이다.^[1] 예를 들어, 일반적인 근사치(예: 빛과의 상호작용에 대한 전기 쌍극자 근사치)에 따라 공정이 발생할 수는 없지만, 더 높은 수준의 근사치(예: 자기 쌍극자 또는 전기 4중극자)에서는 공정이 허용되지만 낮은 속도로 진행된다.

인광 광선 물질을 예로 들 수 있는데,^[2] 이 물질은 빛을 흡수하고 부패가 스핀 플립을 수반하는 흥분 상태를 형성하며, 따라서 전기 쌍극자 전환에 의해 금지된다. 그 결과는 몇 분 또는 몇 시간에 걸쳐 서서히 빛을 방출하는 것이다.

원자핵, 원자 또는 분자를 흥분된 상태로 올리고 명목상 전환을 금지해야 한다면, 그 자연발생 가능성은 여전히 작다. 더 정확히 말하면, 그러한 흥분된 실체가 단위 시간 당 낮은 에너지 상태로의 금지된 전환을 할 확률은 있다. 정의에 따르면, 이 확률은 선택 규칙에 의해 허용되거나 허용되는 전환보다 훨씬 낮다. 따라서 어떤 상태가 허용된 전환(또는 다른 경우, 예를 들어 충돌을 통해)을 통해 탈제약할 수 있는 경우, 거의 확실히 금지된 경로를 통해 전환이 발생하기 전에 탈제약할 것이다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 금지된 전환은 상대적으로 가능성이 희박할 뿐이다: 이러한 방식으로만 붕괴할 수 있는 상태( 소위 메타 안정 상태)는 일반적으로 허용된 전환을 통한 붕괴에 대해 1마이크로초 미만과 비교하여 밀리초에서 초 사이의 수명을 가진다. 일부 방사성 붕괴 시스템에서 여러 단계의 금지성은 시스템이 선택 규칙에 따라 가장 허용되는 범위를 초과하여 변경되는 각 추가 장치에 대해 많은 수의 크기만큼 수명을 연장할 수 있다.^{[citation needed]} 그러한 흥분된 상태들은 몇 년, 아니 수십억 년 동안(너무 오래 측정되어도 너무 오래) 지속될 수 있다.

방사능 붕괴 시

감마 붕괴

흥분된 원자핵의 감마 붕괴 속도를 억제하고 따라서 핵에 대한 전이 가능한 이성질체의 존재를 가능하게 하는 가장 일반적인 메커니즘은 (주어진 방향과 함께) 가장 일반적인 (허용된) 양인 1개의 양자 단위 $\hbar$ 에 의해 핵 각도 운동량을 변화시킬 흥분 상태에 대한 붕괴 경로가 없다는 것이다. $\hbar$ 스핀 각도 운동량의 $\hbar$ $\hbar }.$ 이러한 변화는 이 시스템에서 1단위의 스핀을 갖는 감마선 광자를 방출하기 위해 필요하다. 2, 3, 4, 그리고 더 많은 단위의 각도 운동량이 가능하지만 (방출 광자는 추가적인 각도 운동량을 발산한다) 1 단위 이상의 변화는 금지된 전환이라고 알려져 있다. 금지성의 각 정도(방출된 감마선이 운반해야 하는 1보다 큰 스핀 변화의 추가 단위)는 약 5개의 크기만큼 붕괴율을 억제한다.^[3] 알려진 8단위의 가장 높은 회전 변화는 Ta-180m의 붕괴에서 발생하는데, 이것은 1단위와 관련된 것들로부터 10배수만큼³⁵ 붕괴를 억제하기 때문에 자연⁻¹² 감마 붕괴 반감기 대신에 10초²³ 이상의 반감기를 가지며, 적어도 3 x 10년의¹⁵ 수명을 가지므로 아직 붕괴가 관찰되지 않았다.

2, 3, 4의 핵 각도 모멘텀 변화를 가진 감마선 해독은 금지되지만, 상대적으로 금지되어 있을 뿐, 진행은 계속되지만, 일반적인 1단위 변경 허용 속도보다 느린 속도로 진행된다. 그러나 감마선 방출은 핵이 제로 스핀 상태에서 시작될 때 절대 금지된다. 그러한 방출은 각운동량을 보존하지 못할 것이기 때문이다. 이러한 전환은 감마 붕괴에 의해 발생할 수 없지만, 경우에 따라 베타 붕괴나 베타 붕괴가 선호되지 않는 내부 전환과 같은 다른 경로로 진행되어야 한다.

베타 붕괴

베타 붕괴는 방출된 방사선의 L 값에 따라 분류된다. 감마 붕괴와 달리 베타 붕괴는 0의 스핀과 짝수 패리티를 갖는 핵에서 0의 스핀과 짝수 패리티(Fermi 전환)로 진행될 수 있다. 이는 방출되는 전자와 중성미자가 반대 회전(방사선 총각운동량 0을 부여)일 수 있기 때문에, 핵이 방출 전후의 스핀 영에 머무르더라도 초기 상태의 각운동량을 보존한다. 이러한 유형의 방출은 베타 붕괴 과정에 수반하는 양성자/중성자 비율의 변화에 취약한 핵에서 가장 빠른 형태의 베타 붕괴라는 것을 의미한다.

베타 붕괴에서 방출되는 전자와 중성미자의 다음 가능한 총각운동량은 1의 결합 회전(전자 및 중성미자가 같은 방향으로 회전)이며, 허용된다. 이러한 유형의 방출(가모-텔러 전환)은 핵 스핀을 1로 변화시켜 보상한다. 방출된 방사선(2, 3, 4 등)의 높은 각도 모멘텀을 포함하는 상태는 금지되며 각운동량이 증가하여 금지된 정도에 따라 순위가 매겨진다.

$구체적$ 으로는L > $0일$ 때 붕괴를 금기라고 한다. 핵 선택 규칙은 2개 이상의 L 값을 핵 스핀( $J$ )과 패리티(Parity)의 변화를 동반하도록 요구한다. Lth 금지된 전환에 대한 선택 규칙은

\Delta J=L-1,L+1;\Delta \pi =(-1)^{L}

여기서 Δ³ = 1 $또는$ $-1$ 은 각각 패리티 변경이나 패리티 변경이 없는 것과 일치한다. 지적한 바와 같이 페르미⁺ 0 → 0⁺ 전환의 특별한 경우(감마 붕괴는 절대적으로 금지)를 베타 붕괴에 대해 초허용이라고 하며, 베타 붕괴가 가능하다면 매우 빠르게 진행된다. 다음 표에는 $L$ 의 처음 몇 개 값에 대한 ΔJ 및 Δ³ 값이 나열되어 있다.

금단성	Δ $J$	Δπ
초과 허용됨	0⁺ → 0⁺	아니요.
허용된	0, 1	아니요.
우선 금지됨	0, 1, 2	네
세컨드 금지	1, 2, 3	아니요.
세 번째 금지됨	2, 3, 4	네

감마 붕괴와 마찬가지로, 각 금지성의 정도는 약 4~5개의 크기 인자에 의해 베타 붕괴 과정의 반감기를 증가시킨다.^[4]

이중 베타 붕괴는 실험실에서 관찰되었다(예:^[5] Se
). 지질학 실험에서도 여러 동위원소에서 이런 희귀한 형태의 금지된 부패가 발견되었다.^[6] 평균적으로 10년¹⁸ 이상의 반평생으로.

솔리드 스테이트 물리학에서

에르비움, 네오디뮴과 같은 희토류 원자의 금지된 변화는 고체 상태의 라싱 매체에 도펜트로 유용하게 만든다.^[7] 그러한 매체에서 원자는 충돌로 인해 탈흥을 막아주는 매트릭스에 고정되어 있으며, 흥분 상태의 긴 반감기는 광학적으로 펌프질을 하여 많은 수의 흥분된 원자를 만들어 낸다. 네오디뮴 도핑 글라스는 네오디뮴 원자 내에서 금지된 f-f 전환에서 특이한 색상을 유도하며, 초고속 고체 상태 레이저에 사용된다. 대량 반도체 전환도 타우크 플롯에서 볼 수 있듯이 흡수 스펙트럼의 기능적 형태를 바꾸는 대칭에 의해 금지될 수 있다.

천체물리학과 원자물리학에서

금지된 배출 라인은 극저밀도 가스와 플라스마(Plasmas)에서 관측되었으며, 우주 공간이나 지구의 극한 상층 대기권에서도 관측되었다.^[8] 우주 환경에서 밀도는 입방 센티미터 당 몇 개의 원자일 수 있으므로 원자 충돌 가능성은 낮다. 그런 조건에서는 일단 원자나 분자가 어떤 이유로든 메타안정 상태로 흥분해 버리면 금단의 선 광자를 방출함으로써 붕괴될 것이 거의 확실하다. 메타 안정 상태가 다소 일반적이기 때문에, 우주에서 초저밀도 가스가 방출하는 광자의 상당한 비율을 금지된 전환이 차지한다. 높은 수준으로 하 전된 이온에 Forbidden전환 보이는 vacuum-ultraviolet, softx-ray및 X선 광자의 방출에 결과 일상적으로 전자 빔 이온 트랩[9], 이온 저장 반지에 경우에 잔류 가스 밀도 충분히 금제선 방출기가 일어날 수 있는 낮다 같은 특정한 실험실 장치에 관측된다.e 원자가 충돌하여 분해되다 레이저 분광기법을 이용해 현재 이용 가능한 정확도가 가장 높은 원자 시계와 양자 시계를 안정화하는 데 금지된 전환을 사용한다.

금지된 질소선(654.8nm, 658.4nm의 경우 [NII]), 671.6nm와 673.1nm의 경우 황([S II]), 372.7nm의 경우 산소([O III], 495.9nm와 500.7nm의 경우 [O III])가 천체물리학적 플라스마에서 흔히 관찰된다. 이 선들은 행성상 성운과 H II 지역의 에너지 균형에 중요하다. 금지된 21cm 수소선은 매우 차가운 중성 수소 가스를 볼 수 있기 때문에 전파 천문학에 특히 중요하다. 또한 T-tauri 별의 스펙트럼에 [O I] 및 [S II] 금지선이 존재한다는 것은 낮은 가스 밀도를 내포하고 있다는 것을 의미한다.

표기법

금지된 선 전환은 문제의 원자 또는 분자 종 주위에 대괄호를 배치하여 파악한다(예: [O III] 또는 [S II]).^[8]

참조

^ Philip R. Bunker; Per Jensen (2006). Molecular Symmetry and Spectroscopy. NRC Research Press. p. 414. ISBN 978-0-660-19628-2.
^ Lisensky, George C.; Patel, Manish N.; Reich, Megan L. (1996). "Experiments with Glow-in-the-Dark Toys: Kinetics of Doped ZnS Phosphorescence". Journal of Chemical Education. 73 (11): 1048. Bibcode:1996JChEd..73.1048L. doi:10.1021/ed073p1048. ISSN 0021-9584.
^ "14.20 Gamma Decay".
^ "Beta decay types" (PDF).
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^ Kolesov, R.; et al. (2012). "Optical detection of a single rare-earth ion in a crystal". Nature Communications. 3: 1029. Bibcode:2012NatCo...3.1029K. doi:10.1038/ncomms2034. PMC 3432461. PMID 22929786.
^ Jump up to: ^a ^b "Заборонені лінії" (PDF). Астрономічний енциклопедичний словник [Encyclopedic Dictionary of Astronomy] (in Ukrainian). За загальною редакцією І. А. Климишина та А. О. Корсунь. Львів: ЛНУ—ГАО НАНУ. 2003. p. 161. ISBN 966-613-263-X. Lay summary.CS1 maint: 기타(링크)
^ Mäckel, V. and Klawitter, R. and Brenner, G. and Crespo López-Urrutia, J. R. and Ullrich, J. (2011). "Laser Spectroscopy on Forbidden Transitions in Trapped Highly Charged Ar¹³⁺ Ions". Physical Review Letters. American Physical Society. 107 (14): 143002. Bibcode:2011PhRvL.107n3002M. doi:10.1103/PhysRevLett.107.143002. PMID 22107188.CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

추가 읽기

Osterbrock, D.E., 기체 성운과 활성 은하핵의 천체물리학, University Science Books, 1989, ISBN 0-935702-22-9
하인리히 바이어, 하인리히 F. 바이엘, H.-위르겐 클루지, H.-J. 클루지, 비아츨라프 페트로비치 셰벨로프코, 고충전 이온의 X선 방사선, 스프링거 사이언스 & 비즈니스 미디어, 1997년 ISBN 978-3-540-63185-9
Gillaspy, John, 편집자, 고충전 이온 트래핑: 기본 및 응용 프로그램, John Gillaspy가 편집함. NY, Huntington, Inc. Nova Science Publishers, Inc.에서 1999년 발행한 ISBN 1-56072-725-X.
볼프강 퀸트, 마누엘 보겔, 편집자, 입자 트랩의 기본 물리학, 현대 물리학의 스프링거 트랙츠, 제256권 2014, ISBN 978-3-642-45200-0.

[BunkerJensen2006-1] Philip R. Bunker; Per Jensen (2006). Molecular Symmetry and Spectroscopy. NRC Research Press. p. 414. ISBN 978-0-660-19628-2.

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[3] "14.20 Gamma Decay".

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[Maeckel2011-9] Mäckel, V. and Klawitter, R. and Brenner, G. and Crespo López-Urrutia, J. R. and Ullrich, J. (2011). "Laser Spectroscopy on Forbidden Transitions in Trapped Highly Charged Ar¹³⁺ Ions". Physical Review Letters. American Physical Society. 107 (14): 143002. Bibcode:2011PhRvL.107n3002M. doi:10.1103/PhysRevLett.107.143002. PMID 22107188.CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

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