1972

/

Juni

Keadaan fisika dan teknologi modern untuk memperoleh berkas partikel terpolarisasi

Isi: Pendahuluan. Keadaan putaran partikel. Prinsip memperoleh ion terpolarisasi. Metode sinar atom. Disosiasi molekul hidrogen. Pembentukan berkas atom bebas. Atom hidrogen dan deuterium dalam medan magnet. magnet pemisah. transisi RF. Transisi RF di medan lemah. Transisi RF di medan yang kuat. Mengoperasikan instalasi. Ionisasi berkas atom. Ionizer dengan medan magnet lemah. Ionizer dengan medan magnet yang kuat. Memperoleh ion negatif dengan mengisi ulang ion terpolarisasi positif. Ionisasi oleh partikel berat. Metode domba. Tingkat energi atom hidrogen dan deuterium dengan n= 2 dalam medan magnet seragam. Waktu kehidupan. Polarisasi dalam keadaan metastabil. proses isi ulang. Mendapatkan ion negatif. Mendapatkan ion positif. Metode untuk meningkatkan polarisasi balok. Sumber ion terpolarisasi negatif. Pengukuran polarisasi ion. ion cepat. ion lambat. Sumber helium-3 dan ion lithium terpolarisasi. Ion helium-3 bermuatan tunggal terpolarisasi. Sumber ion lithium terpolarisasi. Kristal tunggal yang dimagnetisasi sebagai donor polarisasi. Injeksi ion terpolarisasi ke dalam akselerator. Cockcroft-Walton akselerator dan akselerator linier. Akselerator Van de Graaff. Akselerator tandem. Siklotron. Akumulasi ion terpolarisasi Percepatan ion terpolarisasi Siklotron. Sinkronsiklotron. Fasotron dengan variasi spasial medan magnet. Sinkrotron. Prestasi laboratorium individu. Berkeley, California. Los Alamos. Kesimpulan. Sastra dikutip.

Deuteron adalah inti atom yang terdiri dari satu proton dan satu neutron. Dengan mempelajari sifat-sifat sistem nuklir paling sederhana ini (energi ikat deuteron, spin, momen magnetik dan kuadrupol), seseorang dapat memilih potensial yang menggambarkan sifat-sifat interaksi nukleon-nukleon.

Fungsi gelombang deuteron (r) memiliki bentuk

adalah pendekatan yang baik untuk seluruh rentang r.
Karena spin dan paritas deuteron adalah 1 + , nukleon dapat berada dalam keadaan s (L = 0 + 0), dan spinnya harus paralel. Tidak adanya keadaan terikat dengan putaran 0 dalam deuteron menyatakan bahwa gaya nuklir bergantung pada putaran.
Momen magnetik deuteron dalam keadaan S (lihat Momen magnetik inti) (S) = 0,8796μ N , mendekati nilai eksperimen. Perbedaannya dapat dijelaskan dengan campuran kecil dari keadaan D (L = 1 + 1) dalam fungsi gelombang deuteron. Momen magnetik dalam keadaan D
(D) = 0,1204μ N . Pengotor keadaan-D adalah 0,03.

Kehadiran campuran keadaan-D dan momen kuadrupol di deuteron membuktikan karakter non-pusat gaya nuklir. Gaya seperti itu disebut gaya tensor. Mereka bergantung pada besarnya proyeksi spin s 1 dan s 2 , nukleon pada arah vektor satuan , diarahkan dari satu nukleon deuteron ke yang lain. Momen quadrupole positif dari deuteron (ellipsoid memanjang) sesuai dengan daya tarik nukleon, ellipsoid yang rata sesuai dengan tolakan.

Interaksi spin-orbit memanifestasikan dirinya dalam fitur hamburan partikel dengan putaran bukan nol pada target non-terpolarisasi dan terpolarisasi dan dalam hamburan partikel terpolarisasi. Ketergantungan interaksi nuklir pada bagaimana momen orbital dan spin nukleon diarahkan relatif satu sama lain dapat ditemukan dalam percobaan berikut. Seberkas proton tak terpolarisasi (berputar dengan probabilitas yang sama diarahkan secara konvensional "naik" (lingkaran biru pada Gambar 3) dan "bawah" (lingkaran merah)) jatuh pada target 4 He. Spin 4 He J = 0. Karena gaya nuklir bergantung pada orientasi relatif dari vektor momentum orbital dan spin , proton terpolarisasi selama hamburan, yaitu. proton dengan putaran "naik" (lingkaran biru), di mana ls, lebih cenderung menyebar ke kiri, dan proton dengan putaran "turun" (lingkaran merah), yang ls, lebih cenderung menyebar ke kanan. Jumlah proton yang dihamburkan ke kanan dan ke kiri adalah sama, namun, pada hamburan pada target pertama, polarisasi berkas terjadi - dominasi partikel dengan arah putaran tertentu dalam berkas. Selanjutnya, sinar kanan, di mana proton dengan spin "turun" mendominasi, jatuh pada target kedua (4 He). Sama seperti pada hamburan pertama, proton dengan putaran "atas" sebagian besar menyebar ke kiri, dan proton dengan putaran "bawah" sebagian besar menyebar ke kanan. Tapi sejak di berkas sekunder, proton dengan spin "turun" mendominasi; setelah hamburan pada target kedua, asimetri sudut dari proton yang tersebar relatif terhadap arah datangnya berkas pada target kedua akan diamati. Jumlah proton yang didaftarkan oleh detektor kiri akan lebih sedikit dari jumlah proton yang didaftarkan oleh detektor kanan.
Sifat pertukaran interaksi nukleon-nukleon memanifestasikan dirinya dalam hamburan neutron energi tinggi (beberapa ratus MeV) oleh proton. Penampang hamburan neutron diferensial memiliki maksimum untuk hamburan balik dalam cm, yang dijelaskan oleh pertukaran muatan antara proton dan neutron.

Sifat gaya nuklir

1. Jarak pendek gaya nuklir (a ~ 1 fm).
2. Besar nilai potensial nuklir V ~ 50 MeV.
3. Ketergantungan gaya nuklir pada spin partikel yang berinteraksi.
4. Karakter tensor interaksi nukleon.
5. Gaya nuklir bergantung pada orientasi timbal balik spin dan momen orbital nukleon (gaya spin-orbit).
6. Interaksi nuklir memiliki sifat kejenuhan.
7. Mengisi kemerdekaan kekuatan nuklir.
8. Pertukaran karakter interaksi nuklir.
9. Gaya tarik antar nukleon pada jarak jauh (r > 1 fm) digantikan oleh gaya tolak menolak pada jarak pendek (r< 0.5 Фм).

Potensi nukleon-nukleon memiliki bentuk (tanpa syarat pertukaran)

Jika medan yang diterapkan E0 memiliki arah yang berubah-ubah, maka momen dipol induksi dapat dengan mudah ditemukan dari superposisi

Dimana, adalah komponen medan terhadap sumbu utama ellipsoid. Dalam masalah hamburan, sumbu koordinat biasanya dipilih untuk diperbaiki sehubungan dengan sinar datang. Misalkan x" y" z" merupakan sistem koordinat yang arah rambatnya sejajar dengan sumbu z". Jika insiden itu ringan

x" terpolarisasi, maka dari teorema optik kita dapatkan:

Untuk melakukan perhitungan menggunakan rumus (2.2), perlu untuk menuliskan komponen p sehubungan dengan sumbu yang ditarik oleh garis putus-putus. Persamaan (2.1) dapat ditulis dalam bentuk matriks:

Kami menulis vektor kolom dan matriks dalam bentuk yang lebih kompak sesuai dengan notasi berikut:

Dengan notasi ini, 2.3 mengambil bentuk berikut:

Komponen vektor sewenang-wenang F ditransformasikan sesuai dengan rumus:

Dimana, dll. Hasilnya, dari (2.5) dan transformasi (2.6) kita mendapatkan:

di mana, karena ortogonalitas sumbu koordinat, matriks yang terbalik adalah matriks yang ditransposisikan. Jadi, polarisasi ellipsoid adalah tensor Cartesian; jika komponen-komponennya pada sumbu-sumbu utama diberikan, maka komponen-komponennya pada sumbu-sumbu koordinat yang diputar dapat ditentukan dengan rumus (2.8). Penampang melintang penyerapan untuk cahaya terpolarisasi ditentukan hanya dengan rumus:

Di mana. Demikian pula, jika cahaya datang terpolarisasi, maka

Jika amplitudo hamburan vektor

untuk dipol yang disinari oleh cahaya terpolarisasi, substitusikan ke dalam persamaan penampang, maka diperoleh penampang hamburan

Dimana kita menggunakan identitas matriks. Ekspresi serupa berlaku untuk penampang hamburan dan untuk cahaya terpolarisasi insiden.

Aplikasi.

Lampu terpolarisasi diusulkan untuk digunakan untuk melindungi pengemudi dari cahaya menyilaukan dari lampu depan mobil yang melaju. Jika film polaroid dengan sudut transmisi 45o diterapkan pada kaca depan dan lampu depan mobil, misalnya, di sebelah kanan vertikal, pengemudi akan dengan jelas melihat jalan dan mobil yang melaju diterangi oleh lampu depan mereka sendiri. Namun untuk mobil yang melaju, polaroid lampu depan akan disilangkan dengan polaroid kaca depan mobil ini, dan lampu depan mobil yang melaju akan padam.

Dua polaroid bersilangan membentuk dasar dari banyak perangkat yang berguna. Cahaya tidak melewati polaroid silang, tetapi jika Anda menempatkan elemen optik di antara mereka yang memutar bidang polarisasi, Anda dapat membuka jalan bagi cahaya. Beginilah cara mengatur modulator cahaya elektro-optik berkecepatan tinggi. Mereka digunakan di banyak perangkat teknis - dalam pengintai elektronik, saluran komunikasi optik, teknologi laser.

Yang disebut kacamata fotokromik diketahui, menggelap di bawah sinar matahari yang cerah, tetapi tidak mampu melindungi mata dengan kilatan yang sangat cepat dan terang (misalnya, selama pengelasan listrik) - proses penggelapannya relatif lambat. Kacamata terpolarisasi memiliki "reaksi" yang hampir instan (kurang dari 50 mikrodetik). Cahaya kilatan terang memasuki fotodetektor mini (fotodioda), yang memasok sinyal listrik, di bawah pengaruh kacamata menjadi buram.

Kacamata terpolarisasi digunakan di bioskop stereo, yang memberikan ilusi tiga dimensi. Ilusi didasarkan pada penciptaan sepasang stereo - dua gambar yang diambil pada sudut yang berbeda, sesuai dengan sudut pandang mata kanan dan kiri. Mereka dianggap sedemikian rupa sehingga setiap mata hanya melihat gambar yang dimaksudkan untuk itu. Gambar untuk mata kiri diproyeksikan ke layar melalui polaroid dengan sumbu transmisi vertikal, dan untuk mata kanan dengan sumbu horizontal, dan gambar tersebut disejajarkan dengan tepat di layar. Pemirsa melihat melalui kacamata polaroid, di mana sumbu polaroid kiri vertikal, dan kanan horizontal; setiap mata hanya melihat gambar "sendiri", dan efek stereo muncul.

Untuk televisi stereoskopik, metode peredupan kacamata secara bergantian dengan cepat digunakan, disinkronkan dengan perubahan gambar di layar. Karena inersia penglihatan, gambar tiga dimensi muncul.

Polaroid banyak digunakan untuk meredam silau dari kaca dan permukaan yang dipoles, dari air (cahaya yang dipantulkan darinya sangat terpolarisasi). Layar terpolarisasi dan ringan dari monitor kristal cair.

Metode polarisasi digunakan dalam mineralogi, kristalografi, geologi, biologi, astrofisika, meteorologi, dan dalam studi fenomena atmosfer.

Fisikawan memiliki kebiasaan mengambil contoh paling sederhana dari sebuah fenomena dan menyebutnya "fisika," dan meninggalkan contoh yang lebih sulit untuk ilmu-ilmu lain, seperti matematika terapan, teknik elektro, kimia, atau kristalografi. Bahkan fisika keadaan padat bagi mereka hanyalah "semifisika", karena berkaitan dengan terlalu banyak masalah khusus. Untuk alasan ini, kami akan menghilangkan banyak hal menarik dalam kuliah kami. Misalnya, salah satu sifat terpenting dari kristal dan sebagian besar zat secara umum adalah bahwa polarisasi listriknya berbeda dalam arah yang berbeda. Jika Anda menerapkan medan listrik ke segala arah, maka muatan atom akan sedikit bergeser dan momen dipol akan muncul; besarnya momen ini sangat bergantung pada arah medan yang diterapkan. Dan ini, tentu saja, adalah komplikasi. Untuk membuat hidup lebih mudah bagi diri mereka sendiri, fisikawan memulai percakapan dengan kasus khusus di mana polarisasinya sama ke segala arah. Dan kami menyerahkan kasus-kasus lain ke ilmu-ilmu lain. Oleh karena itu, untuk pertimbangan kita selanjutnya, kita tidak memerlukan sama sekali apa yang akan kita bicarakan dalam bab ini.

Matematika tensor sangat berguna untuk menggambarkan sifat zat yang berubah dengan arah, meskipun ini hanya salah satu contoh penggunaannya. Karena sebagian besar dari Anda tidak akan menjadi fisikawan, tetapi berniat untuk bekerja di dunia nyata, di mana ketergantungan pada arah sangat kuat, cepat atau lambat Anda akan perlu menggunakan tensor. Jadi, agar Anda tidak memiliki celah di sini, saya akan memberi tahu Anda tentang tensor, meskipun tidak terlalu detail. Saya ingin pemahaman Anda tentang fisika selengkap mungkin. Elektrodinamika, misalnya, kami memiliki kursus yang sepenuhnya selesai; itu selengkap kursus listrik dan magnet mana pun, bahkan kursus institut. Tetapi mekanika belum selesai dengan kami, karena ketika kami mempelajarinya, Anda belum begitu kuat dalam matematika dan kami tidak dapat membahas bagian-bagian seperti prinsip aksi terkecil, Lagrangian, Hamiltonian, dll., yang mewakili deskripsi cara yang paling elegan mekanik. Namun, kita masih memiliki seperangkat hukum mekanika yang lengkap, dengan pengecualian teori relativitas. Pada tingkat yang sama seperti listrik dan magnet, kami memiliki banyak bagian yang diselesaikan. Tapi di sini kita tidak akan menyelesaikan mekanika kuantum; Namun, Anda harus meninggalkan sesuatu untuk masa depan! Namun, apa itu tensor, Anda masih harus tahu sekarang.

Dalam bab. 30 kami menekankan bahwa sifat-sifat zat kristal berbeda dalam arah yang berbeda - kami mengatakan bahwa itu adalah anisotropik. Perubahan momen dipol induksi dengan perubahan arah medan listrik yang diterapkan hanyalah salah satu contoh, tetapi itulah yang akan kita ambil sebagai contoh tensor. Kami berasumsi bahwa untuk arah medan listrik tertentu, momen dipol induksi per satuan volume sebanding dengan kekuatan medan yang diterapkan. (Untuk banyak zat, pada tidak terlalu besar, ini adalah pendekatan yang sangat baik.) Biarkan konstanta proporsionalitas menjadi . Sekarang kami ingin mempertimbangkan zat yang bergantung pada arah medan yang diterapkan, seperti kristal turmalin, yang memberikan gambar ganda saat Anda melihatnya.

Misalkan kita telah menemukan bahwa untuk beberapa kristal yang dipilih, medan listrik yang diarahkan sepanjang sumbu memberikan polarisasi yang diarahkan sepanjang sumbu yang sama, dan medan listrik dengan magnitudo yang sama dengannya yang diarahkan sepanjang sumbu mengarah ke beberapa polarisasi lain yang juga diarahkan sepanjang sumbu . Apa yang terjadi jika medan listrik diterapkan pada sudut 45 °? Nah, karena itu hanya superposisi dari dua bidang yang diarahkan sepanjang sumbu dan , maka polarisasi sama dengan jumlah vektor dan , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 31.1, a. Polarisasi tidak lagi sejajar dengan arah medan listrik. Tidak sulit untuk memahami mengapa ini terjadi. Ada muatan di dalam kristal yang mudah bergerak ke atas dan ke bawah, tetapi sangat sulit untuk bergerak ke samping. Jika gaya diterapkan pada sudut 45 °, maka muatan ini lebih cenderung bergerak ke atas daripada ke samping. Sebagai akibat dari gaya elastik internal yang asimetris, perpindahan tidak berlangsung searah dengan gaya eksternal.

Ara. 31.1. Penambahan vektor polarisasi dalam kristal anisotropik.

Tentu saja, sudut 45° tidak disorot. Fakta bahwa polarisasi induksi tidak diarahkan sepanjang medan listrik juga benar dalam kasus umum. Sebelum itu, kami hanya "beruntung" memilih sumbu seperti itu dan yang polarisasinya diarahkan di sepanjang bidang . Jika kristal diputar terhadap sumbu koordinat, maka medan listrik yang diarahkan sepanjang sumbu akan menyebabkan polarisasi baik di sepanjang sumbu maupun di sepanjang sumbu. Dengan cara yang sama, polarisasi yang disebabkan oleh medan yang diarahkan sepanjang sumbu juga akan memiliki komponen - dan -. Jadi alih-alih Gambar. 31.1, dan kita akan mendapatkan sesuatu yang mirip dengan Gambar. 31.1b. Namun terlepas dari semua kerumitan ini, besarnya polarisasi untuk medan apa pun masih sebanding dengan besarnya.

Mari kita perhatikan kasus umum orientasi kristal yang berubah-ubah terhadap sumbu koordinat. Medan listrik yang diarahkan sepanjang sumbu memberikan polarisasi dengan komponen di sepanjang ketiga sumbu, sehingga kita dapat menulis:

Maksud saya hanya bahwa medan listrik diarahkan sepanjang sumbu menciptakan polarisasi tidak hanya dalam arah ini, itu mengarah ke tiga komponen polarisasi , dan , yang masing-masing sebanding dengan . Kami menyebut koefisien proporsionalitas , dan (ikon pertama menunjukkan komponen mana yang sedang kita bicarakan, dan yang kedua mengacu pada arah medan listrik).

Demikian pula, untuk medan yang diarahkan sepanjang sumbu, kita dapat menulis:

dan untuk bidang di -arah

Lebih lanjut kita katakan bahwa polarisasi bergantung secara linier pada medan; oleh karena itu, jika kita memiliki medan listrik dengan komponen dan , maka komponen polarisasi akan menjadi jumlah dari dua yang didefinisikan oleh persamaan (31.1) dan (31.2), tetapi jika memiliki komponen di ketiga arah , dan , maka komponen polarisasi harus menjadi jumlah dari suku-suku yang bersesuaian dalam persamaan (31,1), (31,2) dan (31,3). Dengan kata lain, ditulis sebagai