Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
В настоящее время интерес к исследованиям анизотропии излучения, испускаемого поляризованными ядрами, значительно вырос в связи с гипотезой, объединяющей все известные виды взаимодействий. Наличие лево-правой асимметрии в угловом распределении излучения может служить указанием на наличие примеси слабых взаимодействий в сильных или электромагнитных взаимодействиях.
Существуют три метода получения ориентированных ядер:
41
1 — использование внешних сил, обычно магнитных или электрических;
2 — облучение ядер частицами, вносящими момент, значительно больший собственного спина ядра;
3 — выделение ядер с заданными направлениями спинов по измерению испускаемого ими излучения.
Первый из этих методов наиболее удобен и перспективен. Самой простой (принципиально) его разновидностью является непосредственное воздействие на спин ядра внешним магнитным полем. Этот способ, однако, требует очень высоких напряженностей магнитных полей (10б—106 Гс) и очень низких температур (~0,01К). Гораздо легче ориентировать спины электронов в атоме. Для этого при низких температурах достаточно иметь напряженность поля около 100 Гс или при больших напряженностях поля работать с более высокими температурами (до 1 К). Ориентация ядер происходит в результате взаимодействия между магнитными моментами ядра и электронной оболочки (сверхтонкое взаимодействие).
Ориентацию спинов электронов в оболочках атомов (а следовательно, и ядер) можно осуществить и с помощью переменного электромагнитного поля. Как уже отмечалось выше, различным направлениям спина ядра соответствуют разные компоненты атомных уровней (сверхтонкое расщепление). Поэтому преимущественное заселение какой-либо из этих компонент приведет к ориентации ядра. Такое заселение можно осуществить как с помощью высокочастотного или сверхвысокочастотного поля (диапазон длин волн от 1 до 103 см), когда происходят переходы между компонентами сверхтонкой структуры, так и с помощью оптического излучения (переходы между компонентами двух разных уровней а тома). В последнем случае хорошие результаты дает применение высокоинтенсивного и монохроматичного лазерного излучения.
Способ ориентации ядер с помощью лазерного излучения можно объяснить на примере атома с тремя энергетическими уровнями — Л, В и С (уровни А и В являются компонентами сверхтонкой структуры и соответствуют различным направлениям спина ядра) (рис. 13). В отсутствие внешнего поля (или при его недостаточной величине) все атомы поровну распределены между уровнями А и В% Если эти атомы возбу-
42
Рис. 13. Схема оптической накачки атомных уровней: а — до облучения; б — после облучения
дить излучением с частотой, соответствующей переходу А->С (но не ?->C), они переходят в состояние С, поглощая энергию. Здесь они находятся очень короткое время (»10-8—К)-7 с), а затем, излучая энергию, переходят в состояния А или В (вероятности переходов в каждое из этих состояний зависят от их спинов). Атомы, возвратившиеся в состояние Л, можно снова перевести на уровень С, в то время как атомы, возвратившиеся в состояние ?, выбывают из цепочки переходов.
Таким образом происходит увеличение числа атомов в состоянии В и уменьшение — в состоянии А\ за несколько циклов переходов практически все атомы сосредоточатся в состоянии В. При высокой интенсивности лазерного излучения (1018 с-1) время нахождения атомов в состоянии А не превышает 10~8 с, поэтому заполнение состояния В может происходить за время порядка Ю-7 с. Если лазерное излучение обладает круговой поляризацией, т. е. направление спина фотона совпадает с направлением его движения или противоположно ему, то произойдет ориентация спина возбуждаемого состояния С, затем состояния B1 а следовательно, и ядра. Этот метод получил название «оптической накачки» и, несомненно, может служить эффективным способом получения ансамблей ориентированных ядер.
В реальных атомах процесс ориентации, как правило, имеет более сложный характер. Часть переходов из
43
возбужденного состояния С может идти не в основное состояние (А или В), а в промежуточное. Если это состояние метастабильное (долгоживущее), то время установления ориентации увеличится, а степень его уменьшится. Кроме того, существует определенная вероятность перехода из состояния В в состояние А. Эти переходы происходят главным образом в результате столкновений атомов и определяют время релаксации системы, г. е. время возвращения ее в начальное состояние. Слепень ориентации атомов, а следовательно, и ядер определяется соотношением между временем, необходимым для оптической накачки, и временем релаксации. Очевидно, для того чтобы степень поляризации была высокой, первое из этих времен должно быть значительно короче, чем второе. Соотношение между этими временами зависит от целого ряда факторов: мощности лазерного излучения, свойств атомных уровней и окружающей их среды.
Можно выделить три вида ансамблей ориентированных ядер: пучки ускоренных ионов, радиоактивные источники и мишени для ядерных реакций.
Первый получил к настоящему времени наибольшее распространение. Обычно используют уже сформированный пучок ионов, который облучают поляризованным лазерным излучением. Для устранения эффекта Доплера направление лазерного луча выбирается перпендикулярным к движению пучка ионов. Ионы будут взаимодействовать между собой лишь при плотностях больших пучков. Поэтому время релаксации оказывается достаточно большим, и это позволяет достигнуть практически полной поляризации ускоренных ионов. Уже получены пучки поляризованных ионов водорода, лития, натрия с интенсивностью до 1 мА (6•1O15 с-1). Набор таких пучков можно существенно расширить, если использовать другой, косвенный метод поляризации.
