Verbotener Übergang

Energieniveaus von zweifach ionisiertem Sauerstoff mit grün eingezeichneten verbotenen Übergängen. Angegeben sind die Wellenlängen der Emissionslinien in nm.

Als verbotenen Übergang bezeichnet man in der Physik einen Übergang von einem Energieniveau – oder allgemeiner von einem (quantenmechanischen) Zustand – zu einem anderen, wenn er gar nicht oder wenn er sehr viel seltener auftritt als andere Übergänge im gleichen System.

Überblick

Im eigentlichen Sinn verbotene Übergänge sind solche, die gemäß einem Naturgesetz nicht vorkommen dürfen. Die Existenz solcher verbotener Übergänge wäre demnach eine Verletzung des Naturgesetzes und damit ein Hinweis auf dessen Gültigkeitsgrenzen. Welche Übergänge erlaubt und welche verboten sind, wird in Auswahlregeln formuliert.

Entsprechend gibt es verbotene Zerfälle. Beispielsweise ist für gg-Kerne (gerade Protonenanzahl und gerade Neutronenanzahl), deren Grundzustände energetisch niedriger liegen als die ihrer uu-Nachbarn (ungerade Protonenzahl und ungerade Neutronenzahl), der einfache Betazerfall energetisch verboten.

Häufig wird der Begriff verwendet für Übergänge, die unter Laborbedingungen nur sehr selten auftreten. Der Grund für die Seltenheit der Beobachtung des Übergangs kann beispielsweise in der „Konkurrenz“ eines anderen Zielzustandes mit höherer Übergangswahrscheinlichkeit oder in der Konkurrenz zu einem anderen Mechanismus der Zustandsänderung liegen.

Verbotene Emissionslinie

Grüne Emissionslinien im Katzenaugennebel (NGC 6543), Hubble Weltraumteleskop 1995

Grünes Polarlicht

Bei manchen astronomischen Objekten, etwa dem Katzenaugennebel, wurden grüne Emissionslinien beobachtet, die durch strahlende Abregung eines metastabilen Energieniveaus entstehen. Da sie im Labor auf der Erde üblicherweise nicht erzeugt werden können, vermutete man zunächst ein auf der Erde bis dahin unbekanntes Element namens Nebulium als Quelle, welches diese Linien hervorrufen würde. Ein irdisches Beispiel sind die „verbotenen“ grünen Sauerstofflinien des Polarlichtes.

Den Hintergrund für solche verbotenen Linien klärte 1927 Ira S. Bowen beim Nebulium auf: Üblicherweise werden die Atome durch Stöße abgeregt, bevor sie ihre Anregungsenergie abstrahlen können. Erst unterhalb einer Teilchendichte von 10⁸/cm³ ist die Zeit zwischen den Stößen der Teilchen untereinander größer als die Besetzungszeit des metastabilen Zustands. Verbotene Linien treten daher nur in stark verdünnten Gasen wie denen der oberen Atmosphäre oder im interstellaren Medium auf.

Bei der Beschreibung eines Spektrums werden verbotene Linien durch eckige Klammern um das emittierende Atom oder Ion gekennzeichnet.

Einige der markantesten Emissionslinien von H-II-Gebieten und planetarischen Nebeln sind solche verbotenen Linien, so etwa die [O III]-Linie des zweifach ionisierten Sauerstoffs bei 500,7 nm oder die [N II]-Linie des einfach ionisierten Stickstoffs bei 658,3 nm. Die Sonnenkorona zeigt besonders starke verbotene Linien von hochgeladenen Ionen, z. B. die „grüne“ Linie des 13-fach positiv geladenen Fe¹³⁺-Ions, [Fe XIV] bei 530,3 nm.^[1]

Einzelnachweise