Mecanismo prohibido

Transiciones cuánticas que no están permitidas en el mecanismo más directo

En espectroscopía , un mecanismo prohibido ( transición prohibida o línea prohibida ) es una línea espectral asociada con la absorción o emisión de fotones por núcleos atómicos , átomos o moléculas que experimentan una transición que no está permitida por una regla de selección en particular , pero está permitida si el la aproximación asociada con esa regla no se hace. ^[1] Por ejemplo, en una situación en la que, de acuerdo con las aproximaciones habituales (como la aproximación del dipolo eléctrico para la interacción con la luz), el proceso no puede ocurrir, pero a un nivel superior de aproximación (p. Ej.dipolo magnético o cuadrupolo eléctrico ) el proceso está permitido pero a una velocidad baja.

Un ejemplo son los materiales fosforescentes que brillan en la oscuridad, ^[2] que absorben la luz y forman un estado excitado cuya desintegración implica un giro de giro y, por lo tanto, está prohibido por las transiciones de dipolos eléctricos. El resultado es una emisión de luz lenta durante minutos u horas.

En caso de que un núcleo , átomo o molécula atómica se eleve a un estado excitado y las transiciones estén prohibidas nominalmente, entonces todavía existe una pequeña probabilidad de que ocurran espontáneamente. Más precisamente, existe una cierta probabilidad de que tal entidad excitada haga una transición prohibida a un estado de menor energía por unidad de tiempo; por definición, esta probabilidad es mucho menor que la de cualquier transición permitida o permitida por las reglas de selección. Por lo tanto, si un estado puede desexcitarse mediante una transición permitida (o de otro modo, por ejemplo, mediante colisiones), es casi seguro que lo hará antes de que se produzca cualquier transición a través de una ruta prohibida. Sin embargo, la mayoría de las transiciones prohibidas son relativamente improbables: estados que solo pueden decaer de esta manera (los llamadosestados metaestables ) por lo general tienen una vida útil del orden de milisegundos a segundos, en comparación con menos de un microsegundo para el decaimiento a través de transiciones permitidas. En algunos sistemas de desintegración radiactiva, múltiples niveles de prohibición pueden alargar la vida útil en muchos órdenes de magnitud por cada unidad adicional por la cual el sistema cambia más allá de lo que está permitido por las reglas de selección. ^{[ cita requerida ]} Tales estados emocionados pueden durar años, o incluso muchos miles de millones de años (demasiado tiempo para haber sido medidos).

En desintegración radiactiva

Decaimiento gamma

El mecanismo más común para la supresión de la tasa de desintegración gamma de los núcleos atómicos excitados y, por lo tanto, hacer posible la existencia de un isómero metaestable para el núcleo, es la falta de una ruta de desintegración para el estado excitado que cambiará el momento angular nuclear (a lo largo de cualquier dirección dada) por la cantidad más común (permitida) de 1 unidad cuántica de momento angular de espín${\displaystyle \hbar }$ . Tal cambio es necesario para emitir un fotón de rayos gamma, que tiene un espín de 1 unidad en este sistema. Son posibles cambios integrales de 2, 3, 4 y más unidades en el momento angular (los fotones emitidos llevan el momento angular adicional), pero los cambios de más de 1 unidad se conocen como transiciones prohibidas. Cada grado de prohibición (unidad adicional de cambio de giro mayor que 1, que debe llevar el rayo gamma emitido) inhibe la tasa de desintegración en aproximadamente 5 órdenes de magnitud. ^[3] El cambio de espín más alto conocido de 8 unidades ocurre en la desintegración de Ta-180m , que suprime su desintegración en un factor de 10 ^{35 a} partir del asociado con 1 unidad, de modo que en lugar de una desintegración gamma natural, la vida media de 10 ^{- 12} segundos, tiene una vida media de más de 10²³ segundos, o al menos 3 x 10 ¹⁵ años, y por lo tanto aún no se ha observado que se descomponga.

Aunque las desintegraciones gamma con cambios de momento angular nuclear de 2, 3, 4, etc., están prohibidas, solo están relativamente prohibidas y continúan, pero con una velocidad más lenta que el cambio normal permitido de 1 unidad. Sin embargo, la emisión gamma está absolutamente prohibida cuando el núcleo comienza en un estado de giro cero, ya que tal emisión no conservaría el momento angular. Estas transiciones no pueden ocurrir por desintegración gamma, sino que deben proceder por otra ruta, como la desintegración beta en algunos casos, o la conversión interna donde no se favorece la desintegración beta.

Desintegración beta

La desintegración beta se clasifica según el valor L de la radiación emitida. A diferencia de la desintegración gamma, la desintegración beta puede proceder de un núcleo con un giro de cero e incluso paridad a un núcleo también con un giro de cero e incluso paridad (transición de Fermi). Esto es posible porque el electrón y el neutrino emitidos pueden ser de espín opuesto (dando un momento angular total de radiación de cero), preservando así el momento angular del estado inicial incluso si el núcleo permanece en espín cero antes y después de la emisión. Este tipo de emisión está súper permitido, lo que significa que es el tipo más rápido de desintegración beta en los núcleos que son susceptibles a un cambio en las relaciones protón / neutrón que acompaña a un proceso de desintegración beta.

El siguiente momento angular total posible del electrón y el neutrino emitidos en la desintegración beta es un espín combinado de 1 (el electrón y el neutrino giran en la misma dirección), y está permitido. Este tipo de emisión ( transición Gamow-Teller ) cambia el espín nuclear en 1 para compensar. Los estados que involucran momentos angulares más altos de la radiación emitida (2, 3, 4, etc.) están prohibidos y se clasifican en grado de prohibición según su momento angular creciente.

Específicamente, cuando L > 0, la desintegración se denomina prohibida. Las reglas de selección nuclear requieren que los valores L superiores a dos vayan acompañados de cambios en el espín nuclear  ( J ) y la paridad  (π). Las reglas de selección para las L- ésimas transiciones prohibidas son

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

donde Δπ = 1 o −1 corresponde a ningún cambio de paridad o cambio de paridad, respectivamente. Como se señaló, el caso especial de una transición Fermi 0 ⁺ → 0 ⁺ (que en la desintegración gamma está absolutamente prohibida) se denomina superpermitido para la desintegración beta, y avanza muy rápidamente si es posible la desintegración beta. La siguiente tabla enumera los valores de Δ J y Δπ para los primeros valores de  L :

Prohibición	Δ J	Δπ
Superallowed	0 + → 0 +	No
Permitido	0, 1	No
Primero prohibido	0, 1, 2	sí
Segundo prohibido	1, 2, 3	No
Tercero prohibido	2, 3, 4	sí

Al igual que con la desintegración gamma, cada grado de prohibición creciente aumenta la vida media del proceso de desintegración beta involucrado en un factor de aproximadamente 4 a 5 órdenes de magnitud. ^[4]

Se ha observado una doble desintegración beta en el laboratorio, por ejemplo, en⁸²
Se
. ^{[5] Los} experimentos geoquímicos también han encontrado este tipo raro de desintegración prohibida en varios isótopos. ^[6] con semividas medias de más de 10 a ¹⁸  años.

En física del estado sólido

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Las transiciones prohibidas en átomos de tierras raras como el erbio y el neodimio los hacen útiles como dopantes para medios láser de estado sólido. ^[7] En tales medios, los átomos se mantienen en una matriz que evita que se desexciten por colisión, y la larga vida media de sus estados excitados hace que sean fáciles de bombear ópticamente para crear una gran población de átomos excitados. El vidrio dopado con neodimio deriva su coloración inusual de las transiciones f - f prohibidas dentro del átomo de neodimio y se usa en láseres de estado sólido de muy alta potencia . Semiconductor a granellas transiciones también se pueden prohibir por simetría, que cambia la forma funcional del espectro de absorción, como se puede mostrar en un gráfico de Tauc .

En astrofísica y física atómica

Se han observado líneas de emisión prohibidas en gases y plasmas de densidad extremadamente baja , ya sea en el espacio exterior o en la atmósfera superior extrema de la Tierra . ^[8] En entornos espaciales, las densidades pueden ser solo de unos pocos átomos por centímetro cúbico , lo que hace que las colisiones atómicas sean poco probables. En tales condiciones, una vez que un átomo o molécula se ha excitado por cualquier motivo a un estado metaestable, es casi seguro que se desintegra emitiendo un fotón de línea prohibida. Dado que los estados metaestables son bastante comunes, las transiciones prohibidas representan un porcentaje significativo de los fotones emitidos por el gas de densidad ultrabaja en el espacio. Transiciones prohibidas eniones altamente cargados que dan como resultado la emisión de fotones visibles, ultravioleta de vacío, rayos X suaves y rayos X se observan rutinariamente en ciertos dispositivos de laboratorio, como trampas de iones de haz de electrones ^[9] y anillos de almacenamiento de iones , donde en ambos casos gas residual las densidades son lo suficientemente bajas como para que se produzca una emisión de línea prohibida antes de que los átomos se desactiven por colisión . Utilizando técnicas de espectroscopia láser , se utilizan transiciones prohibidas para estabilizar relojes atómicos y relojes cuánticos que tienen las precisiones más altas disponibles actualmente.

Líneas prohibidas de nitrógeno ([N II] a 654,8 y 658,4 nm ), azufre ([S II] a 671,6 y 673,1 nm) y oxígeno ([O II] a 372,7 nm y [O III] a 495,9 y 500,7 nm ) se observan comúnmente en plasmas astrofísicos . Estas líneas son importantes para el balance energético de las nebulosas planetarias y las regiones H II . La línea prohibida de hidrógeno de 21 cm es particularmente importante para la radioastronomía, ya que permite ver gas hidrógeno neutro muy frío. Además, la presencia de líneas prohibidas [OI] y [S II] en los espectros de las estrellas T-tauri implica una baja densidad de gas.

Notación

Las transiciones de línea prohibidas se indican colocando corchetes alrededor de la especie atómica o molecular en cuestión, por ejemplo, [O III] o [S II]. ^[8]

Referencias

1. Philip R. Bunker; Per Jensen (2006). Simetría y espectroscopia molecular . Prensa de investigación de NRC. pag. 414. ISBN 978-0-660-19628-2.
2. Lisensky, George C .; Patel, Manish N .; Reich, Megan L. (1996). "Experimentos con juguetes que brillan en la oscuridad: cinética de la fosforescencia de ZnS dopada". Revista de educación química . 73 (11): 1048. Código bibliográfico : 1996JChEd..73.1048L . doi : 10.1021 / ed073p1048 . ISSN 0021-9584 . 
3. "14.20 Desintegración gamma" .
4. "Tipos de desintegración beta" (PDF) .
5. Elliott, SR; Hahn, AA; Moe; MK (1987). "Prueba directa de la desintegración beta doble de dos neutrinos en ⁸² Se". Cartas de revisión física . 59 (18): 2020-2023. Código Bibliográfico : 1987PhRvL..59.2020E . doi : 10.1103 / PhysRevLett.59.2020 . PMID 10035397 . 
6. Barabash, AS (2011). "Experimento de desintegración beta doble: revisión histórica de 75 años de investigación". Física de los núcleos atómicos . 74 (4): 603–613. arXiv : 1104.2714 . Código bibliográfico : 2011PAN .... 74..603B . doi : 10.1134 / S1063778811030070 . S2CID 118716672 . 
7. Kolesov, R .; et al. (2012). "Detección óptica de un único ion de tierras raras en un cristal" . Comunicaciones de la naturaleza . 3 : 1029. Bibcode : 2012NatCo ... 3.1029K . doi : 10.1038 / ncomms2034 . PMC 3432461 . PMID 22929786 .  
8. "Заборонені лінії" (PDF) . Астрономічний енциклопедичний словник [ Diccionario enciclopédico de astronomía ] (en ucraniano). За загальною редакцією І. А. Климишина та А. О. Корсунь. Львів: ЛНУ — ГАО НАНУ. 2003. p. 161. ISBN  966-613-263-X. Lay resumen .
9. Mäckel, V. y Klawitter, R. y Brenner, G. y Crespo López-Urrutia, JR y Ullrich, J. (2011). "Espectroscopia láser en transiciones prohibidas en iones Ar ¹³⁺ altamente cargados atrapados ". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física. 107 (14): 143002. Código Bibliográfico : 2011PhRvL.107n3002M . doi : 10.1103 / PhysRevLett.107.143002 . PMID 22107188 . 

Otras lecturas

• Osterbrock, DE , Astrofísica de nebulosas gaseosas y núcleos galácticos activos , University Science Books, 1989 , ISBN 0-935702-22-9 . 
• Heinrich Beyer, Heinrich F. Beyer, H.-Jürgen Kluge, H.-J. Kluge, Viatcheslav Petrovich Shevelʹko, Radiación de rayos X de iones altamente cargados , Springer Science & Business Media, 1997, ISBN 978-3-540-63185-9 . 
• Gillaspy, John, editor, Trapping Highly Charged Ions: Fundamentals and Applications , Editado por John Gillaspy. Publicado por Nova Science Publishers, Inc. , Huntington, NY, 1999, ISBN 1-56072-725-X . 
• Wolfgang Quint, Manuel Vogel, editores, Física fundamental en trampas de partículas , Springer Tracts in Modern Physics, Volumen 256 2014, ISBN 978-3-642-45200-0 .