Ориентированные ядра, поляризованные ядра. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ориентированные ядра, поляризованные ядра - совокупность атомных ядер с упорядоченной пространственной ориентацией их спинов. Проекция т спина I ядра на заданную ось может принимать 2I+1 дискретных значений от т = - I до т = + 1 с интервалом, равным 1. Спиновую упорядоченность относительно такой оси можно характеризовать набором вероятностен W_m реализации всех возможных значений т. Для спиново-неупорядоченной совокупности ядер все т равновероятны [W_m = 1/(2I + 1)]. В противном случае у совокупности ядер имеется нек-рая спиновая упорядоченность (ядра ориентированы).

Для полного описания ориентационного состояния совокупности ядерных спинов достаточно задать 2I значений W_m, т. к.

Практически для этой цели болееудобными оказываются не W_m, а эквивалентный им набор 2I величин, построенных определ. образом на основе W_m. В качестве таких величин обычно используют т. н. параметры ориентации f_i (i = 1, 2, ..., 2I), являющиеся полиномами от ср. значений степеней т:

Полиномы f_i таковы, что для спиново-неупорядоченной совокупности ядер все f_i = 0, а для полностью спиново-упорядоченной совокупности ядер (W_-I, ..., W_I-1 = 0, W_I = 1) все f_i= 1. Нечётные параметры (f₁, f₃, ...) содержат только m^k с нечётными k и характеризуют ориентацию спинов в заданном направлении.
Чётные параметры (f₂, f₄,....) содержат только

с чётными k и характеризуют ориентацию спинов вдоль заданной прямой, безотносительно к направлению на ней.
Наиболее важны и имеют простой смысл параметры f₁ и f₂:

Параметр f₁, наз. поляризацией, характеризует преимуществ. ориентацию спинов в заданном направлении (f₁ > 0) или против него (f₁ < 0). Параметр f₂, наз. выстроенностью, характеризует преимуществ. ориентацию вдоль (f₂ > 0) или поперёк (f₂ < 0) выбранной оси (безотносительно к её направлению). Эти параметры достаточны для описания простейших процессов в системах ядер с произвольным спином, а для ядер с I = ¹/₂ или I = 1 дают полное описание ориентационного состояния.
В обычных условиях в веществах, встречающихся в природе, атомные ядра не ориентированы. Для получения ориентированных ядер разработаны специальные методы, основанные на наличии у ядер магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов, ориентационно жёстко связанных с ядерными спинами. При наложении на ядра магн. поля Н взаимодействие поля с магн. моментом ядра

будет стремиться ориентировать

в направлении Н, т. е. поляризовать систему ядер. Если ядра находятся в неоднородном электрич. поле, то его взаимодействие с квадрунольным электрич. моментом ядра О будет приводить к выстраиванию ядерных спинов. Оба эти взаимодействия используются в статич. методах, когда ядерные спины находятся в тепловом равновесии с веществом образца. Если ср. энергия теплового движения превышает энергию взаимодействия ядерного момента с полем, то ориентирующее действие поля в значит. степени подавляется тепловым движением. В связи с малостью ядерных моментов значит. ориентацию ядерных спинов статич. методами удаётся получить лишь при очень низких темп-pax и в очень высоких полях. Так, при практически предельно достижимых Т10^-2 К и Н10 Тл поляризация и выстроенность ядер со ср. магн. моментом, равным 1 ядерному магнетону, составляют: f₁ = 0,2 и f₂ = 0,1.
Недостаточная величина ориентации ядер в этих условиях и трудности их реализации способствовали развитию косвенных методов ориентации ядерных спинов, в частности используют статич. ориентацию ядерных спинов во внутренних полях в веществе (электрич. и магнитных), к-рые в ряде случаев значительно превосходят достижимые внеш. поля. Так, на ядрах атомов пек-рых переходных элементов внутриатомные магн. поля достигают Н = 10³ Тл. В молекулах с сильноасимметричными оболочками электрич. поле на ядрах имеет большую неоднородность. Для ориентации ядерных спинов во внутр. нолях необходимо обеспечить нужную пространств. ориентацию самих полей. В случае поляризации ядер во внутр. магн. полях ориентация этих полей достигается поляризацией (намагничиванием) электронных оболочек атома во внеш. магн. поле (это проще, чем получение ядерной поляризации, т. к. электронные магн. моменты более чем в 10³ раз превосходят ядерные). Для выстраивания ядерных спинов в неоднородных внутр. электрич. полях используются монокристаллич. образцы, в к-рых асимметричные молекулы оказываются выстроенными. Этими методами при Т ~ 10^-2 К удаётся получать высокие степени поляризации ядер лантаноидов и группы Fe, а также высокую выстроенность ядер атомов некоторых актинидов.
Для поляризации нек-рых ядер разработаны т. н. динамич. методы, когда тепловое равновесие ядерных спинов в веществе, находящемся в пост. магн. поле, нарушается путём возбуждения эл--магн. полем переходов между зеемановскими подуровнями (см. Ядерный магнитный резонанс. Электронный парамагнитный резонанс). Обычно внеш. полем поляризуются электроны, и надлежащим выбором возбуждаемых переходов электронная поляризация "перекачивается" в систему ядерных спинов. Динамич. методы удаётся использовать лишь в веществах, удовлетворяющих ряду специфич. требований. Спин динамически поляризуемых ядер невысок, обычно I = ¹/₂.
Применяется также метод получения ориентированных ядер непосредственно в процессах ядерных реакций, когда исследуемые ядра поглощают или испускают частицы с определ. образом ориентированными спинами. При этом в силу закона сохранения момента кол-ва движения оказываются ориентированными и ядра, поглотившие или испустившие частицы. Т. к. ориентация (если не приняты меры) быстро разрушается тепловым движением частиц, то обычно метод используется при исследованиях быстрых процессов.
Ориентированные ядра применяются для изучения свойств ядер, связанных с его спином, взаимодействия ядер с разл. микрочастицами. С помощью поляризов. ядерных мишеней и пучков поляризов. частиц можно определить спиновую зависимость взаимодействия частиц с ядрами. Наблюдение распада возбуждённых состояний ориентированных ядер даёт информацию о спинах, чётностях, магн. и электрич. моментах как самих возбуждённых состояний ядер, так и испускаемых микрочастиц. Исследования угл. распределения электронов при распаде поляризов. ядер ⁶⁰Со привели к открытию нарушения пространств. чётности в слабых взаимодействиях. Из угл. распределения g-излучения поляризов. ядер ¹¹⁴С

¹¹⁴Cd, полученных в результате захвата полярпзов. тепловых нейтронов неполяризов. ядрами ¹¹³С

¹¹³Cd, впервые получена информация об универсальности слабого взаимодействия между микрочастицами.

Литература по ориентированным ядрам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.