Ориентированные ядра

Ориенти́рованные ядра

Совокупность атомных ядер с упорядоченностью в пространственной ориентации спинов (спиновой упорядоченностью). Проекции m спи́на I ядер на заданную ось в пространстве могут принимать 2I + 1 дискретных значений от m = —I до m = +I с интервалом, равным 1. Спиновую упорядоченность относительно этой оси характеризует набор вероятностей W_m для всех возможных значений m. Для неупорядоченной совокупности ядер все W_m =1/(2I + 1). Нарушение этого условия означает наличие спиновой упорядоченности.

При описании спиновой упорядоченности вместо W_m часто пользуются эквивалентным набором т. н. параметров ориентации f _k (k = 1,..., 2I). Они представляют собой полиномы от средних значений степеней m.

,

например: ; .

Величина f ₁ называется поляризацией ядер, а f ₂ — выстроенностью ядер. Они имеют сравнительно простой смысл: поляризация f ₁ характеризует преимущественную ориентацию спинов ядер параллельно данному направлению на некоторой оси, а выстроенность f ₂ — параллельно и антипараллельно этой оси, т. е. симметричную относительно плоскости, перпендикулярной оси. Введение параметров ориентации f _k связано, в частности, с тем, что именно f _k непосредственно входят в выражение для энергии взаимодействия ядер с электромагнитным полем (это взаимодействие используется для создания О. я., см. ниже). Так, f ₁ определяет энергию взаимодействия магнитного момента ядра с магнитным полем, a f ₂ — энергию взаимодействия квадрупольного момента ядра (См. Квалрупольный момент ядра) c неоднородным электрическим полем.

В веществах, встречающихся в природе, атомные ядра не ориентированы. Для получения О. я. разработаны специальные методы, основанные на наличии у ядер дипольных магнитных и квадрупольных электрических моментов, направленных вдоль спинов ядер. Эти методы разделяются на статические и динамические. В статических методах используется ориентирующее взаимодействие магнитного поля с магнитными дипольными моментами ядер (ориентация тем сильнее, чем больше поле и магнитный момент ядра) и взаимодействие ядерного квадрупольного момента с неоднородным электрическим полем. В случае магнитного поля появляется поляризация, а в случае электрического — выстроенность (квадруполизация).

Тепловое движение атомных ядер подавляет ориентирующее действие полей. Магнитные и электрические моменты ядер столь малы, что даже в предельно достижимых полях при комнатных температурах (300 К) спиновая упорядоченность ядер, находящихся в тепловом равновесии с веществом, оказывается ничтожно малой. Поэтому для получения О. я. статическими методами наряду с достаточно сильными полями необходимо охлаждение вещества, содержащего ядра, до сверхнизких температур (10^-2 К и ниже). Например, поляризация ядер с магнитным моментом, равным 1 ядерному магнетону, и спином ¹/₂ в магнитном поле Н = 10⁵ э при температуре 10^-2 К составляет 0,35. Это означает, что около 70% ядер имеют спин, ориентированный в заданном направлении.

В связи с трудностями, связанными с осуществлением таких температур и полей, для получения О. я. широко используются «внутренние» поля, создаваемые на ядрах внутриатомными электронами (см. Кристаллическое поле). Напряжённости этих полей значительно превосходят то, чем пока располагает экспериментальная техника создания «внешних» полей. Если внутренние поля ориентировать в пространстве одинаково, то совокупность ядер окажется в очень сильном поле. Внутренние магнитные поля создаются на ядрах парамагнитных атомов (см. Парамагнетизм) и достигают 10⁶—10⁷ э. Внутренние поля ~ 10⁵—10⁶ э возникают также на ядрах диамагнитных атомов (см. Диамагнетизм) при растворении небольших количеств диамагнитного вещества (~1%) в ферромагнетиках (См. Ферромагнетики). Т. к. магнитные моменты электронов превосходят ядерные магнитные моменты более чем в 10³ раз, то их, а следовательно, и создаваемые ими внутренние магнитные поля удаётся ориентировать при значительно меньших внешних полях и более высоких температурах.

Неоднородные электрические поля, достаточные для выстраивания ядер, удаётся создать, используя внутренние электрические поля в некоторых веществах с ковалентными химическими связями (См. Химическая связь), когда электронное облако, окружающее ядро, резко асимметрично. В этом случае охлаждаемое вещество, содержащее выстраиваемые ядра, берётся в виде монокристалла.

В динамических методах тепловое равновесие системы ядерных спинов искусственно нарушается таким образом, что возникает спиновая упорядоченность. В большинстве динамических методов во внешнем магнитном поле (статически) ориентируются электронные спины. Далее с помощью методов электронного парамагнитного резонанса (См. Электронный парамагнитный резонанс) (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (См. Ядерный магнитный резонанс) (ЯМР) ориентация электронных спинов передаётся системе ядерных спинов. Достоинством динамических методов является отсутствие необходимости в очень сильных полях и сверхнизких температурах. Недостаток состоит в том, что круг ядер, ориентируемых этими методами, сравнительно узок.

О. я. используются в ядерной физике для исследований спиновой зависимости ядерных сил и для определения спинов, магнитных моментов и чётностей возбуждённых состояний атомных ядер. Эксперименты с β-радиоактивным О. я. (см. Бета-распад) дали возможность установить одно из фундаментальных свойств элементарных частиц (См. Элементарные частицы) — несохранение чётности в слабых взаимодействиях (См. Слабые взаимодействия). В физике твёрдого тела с помощью О. я. исследуют внутрикристаллические поля.

Лит.: Хуцишвили Г. Р., Ориентированные ядра, «Успехи физических наук», 1954, т. 53, в. 3; Методы определения основных характеристик атомных ядер и элементарных частиц, пер. с англ., М., 1966; Джеффрис К., Динамическая ориентация ядер, пер. с англ., М., 1965.

В. П. Алфименков.