ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА

ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА, совокупность атомных ядер с упорядоченностью в пространственной ориентации спинов (спиновой упорядоченностью). Проекции т спина 1 ядер на заданную ось в пространстве могут принимать 21 + 1 дискретных значений от т = -I до т = +I с интервалом, равным 1. Спиновую упорядоченность относительно этой оси характеризует набор вероятностей W_m для всех возможных значений т. Для неупорядоченной совокупности ядер все W_m=1/(2I +1). Нарушение этого условия означает наличие спиновой упорядоченности.

При описании спиновой упорядоченности вместо Wm часто пользуются эквивалентным набором т. н. параметров ориентации f_k(k=l, ..., 2I). Они представляют собой полиномы от средних значений степеней т:

Величина f₁ наз. поляризацией ядер, a f₂ - выстроенностью ядер. Они имеют сравнительно простой смысл: поляризация f₁ характеризует преимущественную ориентацию спинов ядер параллельно данному направлению на нек-рой оси, а выстроенность f₂ - 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 исполь-" зуется для создания О. я., см. ниже). Так, f₁ определяет энергию взаимодействия магнитного момента ядра с магнитным полем, a f₂ - энергию взаимодействия квадрупольного момента ядра С неоднородным электрич. полем.

В веществах, встречающихся в природе, атомные ядра не ориентированы. Для получения О. я. разработаны спец. методы, основанные на наличии у ядер дипольных магнитных и квадрупольных; электрич. моментов, направленных вдоль спинов ядер. Эти методы разделяются на статические и динамические. В статич. 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 электрич. 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 темп-рах (300 К) спиновая упорядоченность ядер, находящихся в тепловом равновесии с веществом, оказывается ничтожно малой. Поэтому для получения О. я. статич. методами наряду с достаточно сильными полями необходимо охлаждение вещества, содержащего ядра до сверхнизких темп-р (10^-2 К и ниже). Напр., поляризация ядер с магнитным моментом, равным 1 ядерному магнетону, и спином 1/2 в магнитном поле Н = 10⁵ э при темп-ре 10^-2 К составляет 0,35. Это означает, что ок. 70% ядер имеют спин, ориентированный в заданном направлении.

В связи с трудностями, связанными с осуществлением таких темп-р 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. Внутр. поля ~ 10³-10⁶ э возникают также на ядрах диамагнитных атомов (см. Диамагнетизм) при растворении небольших количеств диамагнитного вещества (~1%) в ферромагнетиках. 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 темп-рах.

Неоднородные электрич. поля, достаточные для выстраивания ядер, удаётся создать, используя внутр. электрич. поля в нек-рых веществах с ковалентными химическими связями, когда электронное облако, окружающее ядро, резко асимметрично. В этом случае охлаждаемое вещество, содержащее выстраиваемые ядра, берётся в виде монокристалла .

В динамич. методах тепловое равновесие системы ядерных спинов искусственно нарушается таким образом, что возникает спиновая упорядоченность. В большинстве динамич. методов во внешнем магнитном поле (статически) ориентируются электронные спины. Далее с помощью методов электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ориентация электронных спинов передаётся системе ядерных спинов. Достоинством динамич. методов является отсутствие необходимости в очень сильных полях и сверхнизких темп-pax. 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 b-радиоактивным О. я. (см. Бета-распад) дали возможность установить одно из фундаментальных свойств элементарных частиц - несохранение чётности в слабых взаимодействиях. В физике твёрдого тела с помощью О. я. исследуют внутрикристаллич. 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.