آلية محظورة

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

في علم الأطياف ، تُعرف الآلية المحظورة ( الانتقال المحظور أو الخط المحظور ) بأنها خط طيفي مرتبط بامتصاص أو انبعاث الفوتونات من نوى الذرات أو الذرات أو الجزيئات التي تخضع لانتقال غير مسموح به وفقًا لقاعدة اختيار معينة ، ولكنه مسموح به إذا لم يتم تطبيق التقريب المرتبط بتلك القاعدة. [ 1 ] على سبيل المثال، في حالة لا يمكن فيها حدوث العملية وفقًا للتقريبات المعتادة (مثل تقريب ثنائي القطب الكهربائي للتفاعل مع الضوء)، ولكن عند مستوى تقريب أعلى (مثل ثنائي القطب المغناطيسي أو رباعي الأقطاب الكهربائي ) تكون العملية مسموحة ولكن بمعدل منخفض.

ومن الأمثلة على ذلك المواد الفسفورية ، [ 2 ] التي تمتص الضوء وتُكوّن حالةً مُثارةً يتضمن اضمحلالها انقلابًا في اللف المغزلي ، وبالتالي فهي محظورةٌ بواسطة انتقالات ثنائي القطب الكهربائي. والنتيجة هي انبعاث الضوء ببطء على مدى دقائق أو ساعات.

إذا ما تم رفع نواة ذرية أو ذرة أو جزيء إلى حالة إثارة، وكانت هذه الانتقالات ممنوعة اسميًا، فإنه لا يزال هناك احتمال ضئيل لحدوثها تلقائيًا. بتعبير أدق، هناك احتمال معين أن يقوم هذا الكيان المُثار بانتقال ممنوع إلى حالة طاقة أدنى في وحدة الزمن؛ وبحسب التعريف، فإن هذا الاحتمال أقل بكثير من احتمال أي انتقال مسموح به أو مسموح به وفقًا لقواعد الانتقاء. لذلك، إذا كان بإمكان حالة ما أن تزول إثارتها عبر انتقال مسموح به (أو بطريقة أخرى، مثلاً عبر التصادمات)، فمن شبه المؤكد أنها ستفعل ذلك قبل حدوث أي انتقال عبر مسار ممنوع. ومع ذلك، فإن معظم الانتقالات الممنوعة نادرة الحدوث نسبيًا: فالحالات التي لا يمكنها أن تتحلل إلا بهذه الطريقة (ما يسمى بالحالات شبه المستقرة ) عادةً ما يكون لها أعمار تتراوح بين أجزاء من الألف من الثانية إلى ثوانٍ، مقارنةً بأقل من جزء من الميكروثانية للتحلل عبر الانتقالات المسموح بها. في بعض أنظمة التحلل الإشعاعي، يمكن لمستويات متعددة من المنع أن تُطيل أعمار الحالات بعدة مراتب من حيث الحجم لكل وحدة إضافية يتغير بها النظام بما يتجاوز الحد الأقصى المسموح به بموجب قواعد الانتقاء. يمكن أن تستمر هذه الحالات المثيرة لسنوات، أو حتى لمليارات السنين (وهي فترة طويلة جدًا بحيث لم يتم قياسها).

في التحلل الإشعاعي

اضمحلال غاما

إن الآلية الأكثر شيوعًا لكبح معدل اضمحلال أشعة غاما للنوى الذرية المثارة، وبالتالي إتاحة وجود متصاوغ شبه مستقر للنواة، هي عدم وجود مسار اضمحلال للحالة المثارة من شأنه أن يغير الزخم الزاوي النووي (على طول أي اتجاه معين) بالمقدار الأكثر شيوعًا (المسموح به) وهو وحدة كمومية واحدة.ℏ{\displaystyle \hbar }من الزخم الزاوي الدوراني . هذا التغيير ضروري لانبعاث فوتون أشعة غاما، الذي يمتلك دورانًا مقداره وحدة واحدة في هذا النظام. من الممكن حدوث تغييرات تكاملية بمقدار وحدتين، أو ثلاث، أو أربع، أو أكثر في الزخم الزاوي (تحمل الفوتونات المنبعثة الزخم الزاوي الإضافي)، لكن التغييرات التي تزيد عن وحدة واحدة تُعرف بالانتقالات المحظورة. كل درجة من درجات المنع (وحدة إضافية من تغيير الدوران أكبر من 1، يجب أن تحملها أشعة غاما المنبعثة) تُثبط معدل الاضمحلال بحوالي خمسة مراتب. [ 3 ] أعلى تغيير معروف في الدوران يبلغ 8 وحدات يحدث في اضمحلال Ta-180m ، مما يثبط اضمحلاله بعامل 10 35 من ذلك المرتبط بوحدة واحدة، بحيث أنه بدلاً من عمر النصف الطبيعي لاضمحلال جاما البالغ 10 −12 ثانية، يكون له عمر نصف يزيد عن 10 23 ثانية، أو على الأقل 3 × 10 15 سنة، وبالتالي لم تتم ملاحظته وهو يتحلل بعد .

على الرغم من أن اضمحلالات غاما المصحوبة بتغيرات في الزخم الزاوي النووي بمقدار 2، 3، 4، وما إلى ذلك، ممنوعة، إلا أنها ممنوعة نسبيًا فقط، وتحدث بالفعل، ولكن بمعدل أبطأ من التغير المسموح به عادةً وهو وحدة واحدة. مع ذلك، يُمنع انبعاث غاما منعًا باتًا عندما تبدأ النواة وتنتهي في حالة دوران صفري، لأن مثل هذا الانبعاث لا يحافظ على الزخم الزاوي. لا يمكن أن تحدث هذه التحولات عن طريق اضمحلال غاما، بل يجب أن تحدث عبر مسار آخر، مثل اضمحلال بيتا في بعض الحالات، أو التحول الداخلي حيث لا يُفضل اضمحلال بيتا.

اضمحلال بيتا

يُصنَّف اضمحلال بيتا وفقًا لقيمة L للإشعاع المنبعث. على عكس اضمحلال غاما، قد يحدث اضمحلال بيتا من نواة ذات دوران مغزلي صفري وتكافؤ زوجي إلى نواة أخرى ذات دوران مغزلي صفري وتكافؤ زوجي (انتقال فيرمي). هذا ممكن لأن الإلكترون والنيوترينو المنبعثين قد يكون لهما دوران مغزلي متعاكس (مما يُعطي زخمًا زاويًا كليًا للإشعاع يساوي صفرًا)، وبالتالي يحافظ على الزخم الزاوي للحالة الابتدائية حتى لو بقيت النواة عند دوران مغزلي صفري قبل الانبعاث وبعده. هذا النوع من الانبعاث مسموح به للغاية، أي أنه أسرع أنواع اضمحلال بيتا في النوى المعرضة لتغير في نسب البروتونات إلى النيوترونات المصاحبة لعملية اضمحلال بيتا.

الزخم الزاوي الكلي التالي الممكن للإلكترون والنيوترينو المنبعثين في تحلل بيتا هو عزم مغزلي مشترك يساوي 1 (يدور الإلكترون والنيوترينو في نفس الاتجاه)، وهو مسموح به. هذا النوع من الانبعاث ( انتقال غاموف-تيلر ) يُغير العزم المغزلي النووي بمقدار 1 للتعويض. أما الحالات التي تتضمن زخمًا زاويًا أعلى للإشعاع المنبعث (2، 3، 4، إلخ) فهي ممنوعة، ويتم ترتيبها حسب درجة منعها بتزايد زخمها الزاوي.

على وجه التحديد، عندما تكون قيمة L أكبر من الصفر، يُشار إلى الاضمحلال بأنه ممنوع. تتطلب قواعد الانتقاء النووي أن تكون قيم L الأكبر من اثنين مصحوبة بتغيرات في كل من اللف المغزلي النووي  ( J ) والتكافؤ  (π). قواعد الانتقاء للانتقالات الممنوعة من الرتبة L هي:

Δج=ل-1،ل،ل+1؛Δπ=(-1)ل،{\displaystyle \Delta J=L-1,L,L+1;\Delta \pi =(-1)^{L},}

حيث Δπ = 1 أو −1 يُشير إلى عدم وجود تغيير في التكافؤ أو وجود تغيير فيه، على التوالي. وكما ذُكر، تُسمى الحالة الخاصة لانتقال فيرمي 0+ → 0+ (المحظور تمامًا في اضمحلال غاما) بالانتقال المسموح به للغاية في اضمحلال بيتا، ويحدث بسرعة كبيرة إذا كان اضمحلال بيتا ممكنًا. يُبين الجدول التالي قيم ΔJ و Δπ للقيم القليلة الأولى من L : 

المحظورΔ JΔπ
ممنوع منعاً باتاً0 + → 0 +لا
مسموح0, 1لا
ممنوع أولاً0، 1، 2نعم
المحرم الثاني1، 2، 3لا
الثالث ممنوع2، 3، 4نعم

كما هو الحال مع اضمحلال جاما، فإن كل درجة من درجات زيادة الحظر تزيد من عمر النصف لعملية اضمحلال بيتا المعنية بمعامل يتراوح بين 4 إلى 5 مراتب. [ 4 ]

تم رصد اضمحلال بيتا المزدوج في المختبر، على سبيل المثال في 82Se . [ 5 ] وجدت التجارب الجيوكيميائية أيضًا هذا النوع النادر من التحلل المحظور في العديد من النظائر، [ 6 ] بمتوسط ​​عمر نصف يزيد عن 10 18  سنة.

في فيزياء الحالة الصلبة

تُعدّ الانتقالات المحظورة في ذرات العناصر الأرضية النادرة، مثل الإربيوم والنيوديميوم ، عواملَ تجعلها مفيدةً كشوائب في أوساط الليزر الصلبة. [ 7 ] في هذه الأوساط، تُحفظ الذرات في مصفوفة تمنعها من فقدان إثارتها عن طريق التصادم، كما أن عمر النصف الطويل لحالاتها المثارة يُسهّل ضخّها ضوئيًا لإنتاج عدد كبير من الذرات المثارة. يستمد الزجاج المُطعّم بالنيوديميوم لونه غير المألوف من انتقالات f - f المحظورة داخل ذرة النيوديميوم، ويُستخدم في ليزرات الحالة الصلبة عالية الطاقة للغاية . يمكن أيضًا أن تكون انتقالات أشباه الموصلات الضخمة محظورةً بسبب التناظر، مما يُغيّر الشكل الوظيفي لطيف الامتصاص، كما هو موضح في مخطط تاوك .

في الفيزياء الفلكية والفيزياء الذرية

طاقات الفوتون للانتقالات المدارية للأكسجين المتأين مرتين [O III]، بما في ذلك الانتقالات المحظورة (باللون الأخضر).

رُصدت خطوط انبعاث محظورة في غازات وبلازما ذات كثافة منخفضة للغاية ، سواء في الفضاء الخارجي أو في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض . [ 8 ] في بيئات الفضاء، قد لا تتجاوز الكثافة بضع ذرات لكل سنتيمتر مكعب ، مما يجعل تصادم الذرات أمرًا مستبعدًا. في ظل هذه الظروف، بمجرد أن تُثار ذرة أو جزيء لأي سبب إلى حالة شبه مستقرة، فمن شبه المؤكد أنها ستتحلل بانبعاث فوتون ذي خط محظور. ونظرًا لشيوع الحالات شبه المستقرة، فإن الانتقالات المحظورة تُشكل نسبة كبيرة من الفوتونات المنبعثة من الغاز ذي الكثافة المنخفضة للغاية في الفضاء. تُلاحَظ الانتقالات المحظورة في الأيونات عالية الشحنة ، والتي ينتج عنها انبعاث فوتونات مرئية، وأشعة فوق بنفسجية فراغية ، وأشعة سينية لينة، وأشعة سينية، بشكل روتيني في بعض الأجهزة المختبرية، مثل مصائد أيونات حزمة الإلكترون [ 9 ] وحلقات تخزين الأيونات ، حيث تكون كثافة الغاز المتبقي في كلتا الحالتين منخفضة بما يكفي لحدوث انبعاث الخطوط المحظورة قبل أن تُزال إثارة الذرات بالتصادم . وباستخدام تقنيات مطيافية الليزر ، تُستخدم الانتقالات المحظورة لتثبيت الساعات الذرية والساعات الكمومية التي تتمتع بأعلى دقة متاحة حاليًا.

تُلاحَظ عادةً في بلازما الفيزياء الفلكية خطوطٌ محظورةٌ للنيتروجين ([N II] عند 654.8 و658.4 نانومتر )، والكبريت ([S II] عند 671.6 و673.1  نانومتر)، والأكسجين ([O II] عند 372.7  نانومتر، و [O III] عند 495.9 و500.7  نانومتر) . تُعدّ هذه الخطوط مهمةً لتوازن الطاقة في السدم الكوكبية ومناطق الهيدروجين المتأين (H II) . ويُعتبر خط الهيدروجين المحظور عند 21 سم ذا أهميةٍ خاصةٍ في علم الفلك الراديوي ، إذ يُتيح رصد غاز الهيدروجين المتعادل شديد البرودة. كما يُشير وجود خطوط [OI] و[S II] المحظورة في أطياف نجوم تي-تاوري إلى انخفاض كثافة الغاز.

الترميز

تُشار إلى انتقالات الخطوط المحظورة بوضع أقواس مربعة حول النوع الذري أو الجزيئي المعني، على سبيل المثال [O III] أو [S II]. [ 8 ]

مراجع

  1. ↑ فيليب ر. بنكر؛ بير جنسن (2006). التناظر الجزيئي والتحليل الطيفي . مطبعة المجلس الوطني للبحوث. ص  414. ISBN 978-0-660-19628-2.
  2. ↑ ليسينسكي، جورج سي؛ باتيل، مانيش ن؛ رايش، ميغان ل. (1996). "تجارب على ألعاب مضيئة في الظلام: حركية فسفورية كبريتيد الزنك المُطعّم". مجلة التعليم الكيميائي . 73 (11): 1048. Bibcode : 1996JChEd..73.1048L . doi : 10.1021/ed073p1048 . ISSN 0021-9584 . 
  3. ↑ "14.20 اضمحلال جاما" .
  4. ↑ "أنواع اضمحلال بيتا" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 19-03-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-08-2014 .
  5. ↑ إليوت، إس آر؛ هان، إيه إيه؛ مو؛ إم كيه (1987). "دليل مباشر على اضمحلال بيتا المزدوج لنيوترينوين في 82Se ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 59 (18): 2020-2023 . Bibcode : 1987PhRvL..59.2020E . doi : 10.1103/PhysRevLett.59.2020 . PMID 10035397 . 
  6. ↑ باراباش، أ.س. (2011). "تجربة اضمحلال بيتا المزدوج: مراجعة تاريخية لـ 75 عامًا من البحث". فيزياء النوى الذرية . 74 (4): 603-613 . arXiv : 1104.2714 . Bibcode : 2011PAN....74..603B . doi : 10.1134/S1063778811030070 . S2CID 118716672 . 
  7. ↑ كوليسوف، ر.؛ وآخرون (2012). "الكشف البصري عن أيون واحد من العناصر الأرضية النادرة في بلورة" . نيتشر كوميونيكيشنز . 3 : 1029. Bibcode : 2012NatCo...3.1029K . doi : 10.1038/ ncomms2034 . PMC 3432461. PMID 22929786 .   
  8. 1 2 أ.أ. كليميشينا؛ أ.و. كورسوني، محرران. (2003). "خط المواصلات" (PDF) .الموسوعة الفلكية السلوفانية[ القاموس الموسوعي لعلم الفلك ] (باللغة الأوكرانية). لفيف: ЛНУ—ГАО  НАНУ. ص.  161. ردمك 966-613-263-X.
  9. ↑ ماكيل، ف.؛ كلاويتر، ر.؛ برينر، ج.؛ كريسبو لوبيز-أوروتيا، الابن؛ أولريش، ج. (2011). "مطيافية الليزر على الانتقالات المحظورة في أيونات الأرجون 13+ المحصورة عالية الشحنة ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 107 (14) 143002. الجمعية الفيزيائية الأمريكية. رمز Bibcode : 2011PhRvL.107n3002M . doi : 10.1103/PhysRevLett.107.143002 . PMID 22107188 . 

للمزيد من القراءة

  • أوستربروك، دي إي ، فيزياء الفلك للسدم الغازية والنوى المجرية النشطة ، منشورات جامعة العلوم، 1989 ، رقم ISBN 0-935702-22-9.
  • هاينريش باير، هاينريش ف. باير، هـ. يورغن كلوغه، هـ. ي. كلوغه، فياتشيسلاف بتروفيتش شيفيلكو، إشعاع الأشعة السينية للأيونات عالية الشحنة ، سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا، 1997، ISBN 978-3-540-63185-9.
  • جيلاسبي، جون، محرر، احتجاز الأيونات عالية الشحنة: الأساسيات والتطبيقات ، حرره جون جيلاسبي. نشرته دار نوفا ساينس للنشر ، هنتنغتون، نيويورك، 1999، رقم ISBN 1-56072-725-X.
  • فولفغانغ كوينت، مانويل فوغل (محرران)، الفيزياء الأساسية في مصائد الجسيمات ، سلسلة منشورات سبرينغر في الفيزياء الحديثة، المجلد 256، 2014، رقم ISBN 978-3-642-45200-0.