Verbotener Übergang

Energieniveaus von zweifach ionisiertem Sauerstoff mit grünen verbotenen Übergängen. Energieniveaus in nm.

Als verbotenen Übergang oder verbotene Linie 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.

Abgrenzung verschiedener Verwendungen des Begriffs

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, wie im unten angegebenen Beispiel des „Nebuliums“, in der Konkurrenz zu einem anderen Mechanismus der Zustandsänderung liegen.

Jedoch kann der Übergang auch tatsächlich durch ein Naturgesetz verboten sein, und eine Verletzung wäre ein Hinweis auf dessen Gültigkeitsgrenzen. Welche Übergänge erlaubt und welche verboten sind, wird in „Auswahlregeln“ formuliert.

Entsprechend gibt es auch verbotene Zerfälle beispielsweise beim Betazerfall.

„Nebulium“ als Beispiel

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

Grünes Polarlicht

Bei manchen astronomischen Objekten, etwa NGC 6543 (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.

Der wirkliche Mechanismus wurde von Ira Sprague Bowen 1927 aufgeklärt. Die Atome werden durch Stöße abgeregt, bevor sie ihre Anregungsenergie abstrahlen können. Erst unterhalb einer Teilchendichte von weniger als 10⁸Teilchen/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 auf, wie z. B. in der oberen Atmosphäre oder im interstellaren Medium.

Einige der markantesten Emissionslinien von H-II-Gebieten und planetarischen Nebeln sind solche verbotenen Linien, so etwa die Linie des zweifach ionisierten Sauerstoffs ([O III] 500,7 nm), oder des einfach ionisierten Stickstoffs ([N II] 658,3 nm). Bei der Beschreibung eines Spektrums werden verbotene Linien durch eckige Klammern um das emittierende Atom oder Ion gekennzeichnet. Die Sonnenkorona zeigt besonders starke verbotene Linien von hochgeladenen Ionen, z. B. die „grüne“ Linie von 13-fach geladenen Fe XIV (Fe¹³⁺-Ion) bei 530,3 nm.

Beispiele für die verbotenen grünen Sauerstofflinien sind die grünen Emissionslinien im Katzenaugennebel oder grünes Polarlicht.