Эффект Соколова – Тернова

редактировать

Эффект Соколова – Тернова - это эффект самополяризации релятивистских электронов или позитронов, движущихся с высокой энергией в магнитном поле. Самополяризация происходит за счет излучения синхротронного излучения с переворотом спина . Эффект был предсказан Игорем Терновым, и предсказание строго обосновано Арсением Соколовым с использованием точных решений уравнения Дирака.

Содержание

1 Теория
2 Экспериментальное наблюдение
3 Применение и обобщение
4 Патент
5 См. Также
6 Примечания

Теория

электрон в магнитном поле может иметь свои спин, ориентированный в том же («вращение вверх») или в противоположном («вращение вниз») направлении по отношению к направлению магнитного поля (которое предполагается ориентированным «вверх»). Состояние «со спином вниз» имеет более высокую энергию, чем состояние «со спином вверх». Поляризация возникает из-за того, что скорость перехода через излучение синхротронного излучения в состояние «спин вниз» немного больше, чем вероятность перехода в состояние «спин вверх». В результате первоначально неполяризованный пучок электронов высокой энергии, циркулирующий в накопительном кольце после достаточно длительного времени, будет иметь спины, ориентированные в направлении, противоположном магнитному полю. Насыщенность не является полной и явно описывается формулой

ξ (t) = A (1 - e - t τ) {\ displaystyle \ xi (t) = A {\ Bigl (} 1-e ^ {- { \ frac {t} {\ tau}}} {\ Bigr)}}

\ xi (t) = A {\ Bigl (} 1-e ^ {{- {\ frac {t} {\ tau}}}} {\ Bigr)}

где $A = 8 3/15 ≈ 0,924 {\ displaystyle \ scriptstyle A \; = \; 8 {\ sqrt {3} } / 15 \; \ приблизительно \; 0,924}$ $\ scriptstyle A \; = \; 8 {\ sqrt {3}} / 15 \; \ приблизительно \; 0,924$ - это предельная степень поляризации (92,4%), а $τ {\ displaystyle \ scriptstyle \ tau}$ $\ scriptstyle \ tau$ - время релаксации

τ знак равно A 4 π ϵ 0 ℏ 2 mce 2 (mc 2 E) 2 (H 0 H) 3 {\ displaystyle \ tau = A {{{4 \ pi \ epsilon _ {0} \ hbar} ^ {2}} \ over {mc {e} ^ {2}}} {\ Bigl (} {{mc ^ {2}} \ over {E}} {\ Bigr)} ^ {2} {\ Bigl (} {H_ {0} \ over H} {\ Bigr)} ^ {3}}

{\ displaystyle \ tau = A {{{4 \ pi \ epsilon _ {0} \ hbar} ^ {2}} \ over {mc {e} ^ {2}}} { \ Bigl (} {{mc ^ {2}} \ over {E}} {\ Bigr)} ^ {2} {\ Bigl (} {H_ {0} \ over H} {\ Bigr)} ^ {3} }

Здесь $A {\ displaystyle \ scriptstyle A}$ $\ scriptstyle A$ как и раньше, $m {\ displaystyle \ scriptstyle m}$ $\ scriptstyle m$ и $e {\ displaystyle \ scriptstyle e}$ $\ scriptstyle e$ - масса и заряд электрона, $ϵ 0 {\ displaystyle \ epsilon _ { 0}}$ $\ epsilon _ {0}$ - диэлектрическая проницаемость вакуума, $c {\ displaystyle \ scriptstyle c}$ $\ scriptstyle c$ - скорость света, $H 0 ≈ 4,414 × 10 13 га ss {\ displaystyle \ scriptstyle H_ {0} \; \ приблизительно \; 4.414 \, \ times \, 10 ^ {13} \, {\ text {gauss}}}$ $\ scriptstyle H_ {0} \; \ приблизительно \; 4.414 \, \ times \, 10 ^ {{13}} \, {\ text {gauss}}$ - это Швингер field, $H {\ displaystyle \ scriptstyle H}$ $\ scriptstyle H$ - магнитное поле, а $E {\ displaystyle \ scriptstyle E}$ $\ scriptstyle E$ - энергия электрона.

Предельная степень поляризации $A {\ displaystyle A}$ $A$ меньше единицы из-за наличия спин-орбитального обмена энергией, который допускает переходы к "раскрутке вверх" состояние (с вероятностью в 25,25 раза меньше, чем в состояние "спин вниз").

Типичное время релаксации составляет порядка минут и часов. Таким образом, получение сильно поляризованного пучка требует достаточно времени и использования накопителей.

Эффект самополяризации для позитронов аналогичен, с той лишь разницей, что позитроны будут иметь спины. ориентированы в направлении, параллельном направлению магнитного поля.

Экспериментальное наблюдение

Эффект Соколова – Тернова экспериментально наблюдался в СССР, Франции, Германии, США Штаты, Япония и Швейцария в накопительных кольцах с энергией электронов 1-50 ГэВ.

1971 - Институт ядерной физики им. Будкера (первое наблюдение), с использованием накопительного кольца на 625 МэВ.
1971 - Орсе (Франция), с использованием накопителя АСО на 536 МэВ.
1975 - Стэнфорд (США), с использованием накопителя SPEAR на 2,4 ГэВ.
1980 - DESY, Гамбург (Германия), с использованием энергии 15,2 ГэВ PETRA.

Приложения и обобщения

Эффект радиационной поляризации обеспечивает уникальную возможность создания поляризации. d пучки электронов и позитронов высоких энергий, которые можно использовать для различных экспериментов.

Эффект также был связан с эффектом Унру, который до сих пор в экспериментально достижимых условиях был слишком мал, чтобы его можно было наблюдать.

Равновесная поляризация, данная Соколовым и Терновым, имеет поправки, когда орбита не идеально плоская. Формула была обобщена Дербеневым, Кондратенко и др.

Патент

Соколов А.А. и Тернов И.М. (1973): Премия N 131 от 7 августа 1973 г. с приоритетом 26 июня 1963 г., Бюл. Откр. и Изобр., т. 47.

См. Также

Примечания