Orientaciya spinov (v kosmicheskoi srede)

Ris. 1. Vozmozhnye znacheniya proekcii M spina chasticy v magnitnom pole (kvantovanie proekcii spina). Os' kvantovaniya - napravlenie magnitnogo polya.

O. s. J opredelyaetsya ego proekciei M na napravlenie magn. polya. Soglasno zakonam kvantovoi mehaniki, proekciya M mozhet prinimat' tol'ko diskretnye znacheniya (ris. 1), ravnye J, J - 1, J - 2, ..., -J + 1, -J (znacheniya M v etom ryadu otlichayutsya na edinicu; za edinicu prinyata velichina - Planka postoyannaya). Razlichayut dva tipa O. s. chastic - vystraivanie i polyarizaciyu. V sluchae vystraivaniya spiny chastic orientirovany tak, chto napravleniya i - po i protiv vydelennoi osi - ekvivalentny, togda kak v sluchae polyarizacii eti napravleniya neekvivalentny, to est' spiny napravleny preimushestvenno v odnu storonu.

V razrezhennoi srede, nahodyasheisya v teplovom (termodinamicheskom) ravnovesii, pri otsutstvii vnesh. polei vse napravleniya ravnopravny (sreda izotropna). Spiny chastic v takoi srede raspolozheny haoticheski, tak chto v srednem orientaciya u nih otsutstvuet. Odnako O. s. vozmozhna, esli chastica obladaet magn. momentom i imeetsya dostatochno sil'noe vneshnee magn. pole H, takoe, chto energiya vzaimodeistviya ego s momentom chasticy bol'she ili sravnima s energiei teplovogo dvizheniya chasticy. Spiny chastic v etom sluchae mogut byt' orientirovany po polyu H (ili protiv polya). Takaya orientaciya naz. staticheskoi. V deistvitel'nosti energetich. uslovie, neobhodimoe dlya statich. O. s., v izvestnyh kosmich. ob'ektah ne vypolnyaetsya. Napr., v mezhzvezdnoi srede pri N ~ 10^-6 E i T ~ 100 K energiya magn. vzaimodeistviya erg, a energiya teplovogo dvizheniya kT ~ 10^-14 erg. Dazhe v magnitnyh zvezdah pri N ~ 10³ E i T ~ 10⁴ K energiya erg, a kT ~ 10^-12 erg. Poetomu statich. O. s. chastic, svyazannaya s nalichiem sil'nyh vnesh. polei, v kosmich. usloviyah ne imeet mesta.

Pri otsutstvii teplovogo ravnovesiya vozmozhen principial'no inoi tip orientacii, t.e. dinamicheskaya orientaciya, pri k-roi spiny chastic sredy orientiruyutsya v rezul'tate ih vzaimodeistviya s prohodyashim cherez sredu napravlennym potokom izlucheniya ili potokom bystryh chastic. Tak, optich. izluchenie i radioizluchenie zvezd i tumannostei, a takzhe napravlennye korpuskulyarnye potoki, prohodya cherez mezhzvezdnuyu sredu, i vzaimodeistvuya s nei, ne tol'ko menyayut raspredelenie chastic po impul'sam, no i orientiruyut spiny ztih chastic.

Dinamich. orientaciya spinov nerazryvno svyazana s takimi yavleniyami, kak davlenie izlucheniya i solnechnyi veter, t.k. pri stolknovenii s fotonom ili chasticei solnechnogo vetra atomu (ili dr. chastice) odnovremenno peredayutsya i impul's, i moment impul'sa. Vtoroi process dazhe bolee effektiven v tom smysle, chto naletayushii potok snachala orientiruet chasticy sredy, a uzh zatem uvlekaet ih v napravlenii svoego rasprostraneniya.

Analiz fiz. uslovii v razlichnyh kosmich. ob'ektah pokazyvaet, chto pri dinamich. orientacii spiny okazyvayutsya vystroennymi, a ne polyarizovannymi, i osn. mehanizmom takogo vystraivaniya yavl. rezonansnoe rasseyanie napravlennogo nepolyarizovannogo izlucheniya (izlucheniya v spektral'nyh liniyah). Pri rezonansnom rasseyanii atomy i molekuly ochen' effektivno vzaimodeistvuyut s fotonami, veliko t.n. effektivnoe sechenie rasseyaniya.

Mehanizm optich. rezonansnoi orientacii naglyadno raskryvaetsya na primere dvuhurovnevogo atoma so spinom J = 1 v osn. sostoyanii i so spinom J' = O v vozbuzhdennom sostoyanii (ris. 2).

Ris. 2. Shema, illyustriruyushaya mehanizm opticheskoi orientacii spinov. Zdes' J = 1 i J' = 0 - spin chasticy sootvetstvenno v osnovnom i vozbuzhdennom sostoyanii, M - proekciya spina na napravlenie puchka padayushih fotonov.

Esli svet nepolyarizovan, to v svetovom puchke soderzhitsya odinakovoe kolichestvo fotonov pravoi i levoi polyarizacii. Oni harakterizuyutsya dvumya znacheniyami proekcii spina fotona na napravlenie lucha (spiral'nostyo): = 1 i = -1 [vsledstvie poperechnosti el.-magn. voln spin fotonov () vsegda orientirovan po ili protiv napravleniya rasprostraneniya voln i fotony s proekciei = 0 otsutstvuyut]. V sootvetstvii s zakonom sohraneniya proekcii momenta impul'sa pri pogloshenii rezonansnogo fotona s 1 atom mozhet pereiti v vozbuzhdennoe sostoyanie lish' iz podsostoyanii 1, togda kak vozbuzhdenie atoma na etot uroven' iz podsostoyaniya M = 0 zapresheno. Poetomu atomy, popavshie v podsostoyanie M = 0, v dal'neishem uzhe ne mogut vyiti iz nego, esli ne proizoidet stolknoveniya atomov. S drugoi storony, pri perehodah iz vozbuzhdennogo sostoyaniya atomy mogut okazat'sya v lyubom iz podsostoyanii M, prichem s ravnoi veroyatnost'yu, t.k. u vozbuzhdennogo atoma J' = 0, a vse sv-va fiz. sistemy so spinom, ravnym nulyu, ne zavisyat ot ee orientacii v prostranstve. Vozbuzhdennyi atom mozhet izluchit' fotony s proekciyami momenta impul'sa na napravlenie orientiruyushego puchka sveta kak 1, tak i =0. T.o., v rezul'tate kazhdogo akta rasseyaniya (perehoda atoma v vozbuzhdennoe sostoyanie i vozvrasheniya na osn. energetich. uroven') budet vozrastat' chislo atomov s M = 0. Pri dlitel'nom vozdeistvii puchka rezonansnyh fotonov prakticheski vse atomy, nezavisimo ot nachal'noi orientacii, dolzhny pereiti v podsostoyanie M = 0, i sreda stanet prozrachnoi dlya orientiruyushego izlucheniya. Konechno, polnoe prosvetlenie sredy vozmozhno lish' v otsutstvie stolknovenii atomov drug s drugom. V takih razrezhennyh i opticheski tonkih sistemah, kak mezhzvezdnaya i mezhplanetnaya sreda, komety, tumannosti, verhnie sloi atmosfery zvezd i planet, vse usloviya, neobhodimye dlya vystraivaniya spinov, postoyanno podderzhivayutsya samoi prirodoi. Plotnost' chastic v etih kosmich. ob'ektah mala, soudareniya atomov i molekul redki, a sredu postoyanno pronizyvayut intensivnye potoki izlucheniya, imeyushie opredelennoe prostranstvennoe napravlenie. Orientaciya spinov chastic otsutstvuet lish' v nizhnih, plotnyh sloyah atmosfer zvezd i planet, gde sostoyanie chastic opredelyaetsya ih stolknoveniyami s sosednimi chasticami gaza, nahodyashegosya v lokal'nom termodinamich. ravnovesii.

Optich. sv-va (prelomlenie i pogloshenie) sredy, soderzhashei chasticy s vystroennymi spinami, sushestvenno zavisyat ot polyarizacii pronizyvayushego sredu puchka sveta ili chastic i napravleniya nablyudeniya. Pervonachal'no nepolyarizovannoe izluchenie, prohodya cherez "vystroennuyu" sredu, lineino polyarizuetsya vsledstvie togo, chto prozrachnost' sredy dlya izlucheniya, polyarizovannogo parallel'no i perpendikulyarno magn. polyu, neodinakova. Eto yavlenie neobhodimo prinimat' vo vnimanie pri analize spektrov razlichnyh kosmich. ob'ektov. Tak, vystraivanie privedet k polyarizacii prohodyashego sveta i k anomal'nomu otnosheniyu intensivnostei poglosheniya v mul'tiplete (t.e. v sovokupnosti spektral'nyh linii, obrazuyushihsya pri perehodah mezhdu dvumya energetich. urovnyami, rassheplennymi na podurovni). Etot effekt mozhet nablyudat'sya dlya linii poglosheniya, obrazuyushihsya v razrezhennyh obolochkah zvezd, gde imeetsya intensivnyi napravlennyi potok izlucheniya. Uchet vystraivaniya spinov mozhet dat' kachestvenno novuyu informaciyu otnositel'no anizotropii fiz. uslovii v issleduemyh ob'ektah, a imenno: o napravlenii magn. nolya i uglovom raspredelenii potoka izlucheniya. Napr., po izmerennomu otnosheniyu intensivnostei linii dubleta natriya i v spektre komet i stepeni polyarizacii linii D₂ mozhno opredelit' napravlenie magn. polya v golove komety.

(D.A. Varshalovich)