- СПИНОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА
- СПИНОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА
-
- термодинамич. величина, характеризующаясостояние внутр. квазиравновесия в подсистеме спиновых степеней свободывещества. наиб. распространение понятие С. т. получило при описании электронныхи ядерных парамагнетиков. В этом случае С. т. TS определяет вероятность Wi нахождения системы частиц, <обладающих спином, в стационарном состоянии с энергией
:
где Z - статистич. сумма. Соотношение (1) аналогично обычному каноническомураспределению Гиббса, однако
- лишь часть полной энергии системы, зависящая от спиновых переменных. <Предполагается, что локальное внутр. равновесие в спиновой подсистеме (квазиравновесие)устанавливается гораздо быстрее, чем равновесие между спиновой подсистемойи остальными степенями свободы (истинное равновесие с темп-рой Т 0). Примеромможет служить система ядер, обладающих спином
и гиромагн. отношением
,в твёрдом теле, помещённом во внеш. пост. магн. поле H. Взаимодействиемагн. момента ядра с этим полем приводит к образованию 2I + 1 уровней энергии
,разделённых равными интервалами
и соответствующих разл. значениям проекции Iz ядерного спинана направление Н (рис., а). Внутр. квазиравновесие в этой системе устанавливаетсяблагодаря спин-спиновым взаимодействиям между ядрами: 1) создаваемые ядернымимагн. моментами локальные поля приводят к расфазировке прецессии спиновв поле Н за время поперечной релаксации
,в результате сохраняющейся макроскопич. характеристикой системы остаётсяср. значение Iz; 2) взаимные «перевороты» ядерных спинов, вызванныеспин-спиновым взаимодействием, приводят к «забыванию» их нач. распределенияпо состояниям также за время
.Поэтому на интервалах времени
можно считать спиновую подсистему квазиравновесной. Обычно
с оказывается много меньше времени спин-решёточной релаксации
с.
Энергетические диаграммы и квазиравновесные распределения населёнвостейпарамагнитных спиновых систем в магнитном поле: а - I = 3/2, единая спиноваятемпература; б - различные спиновые температуры в неэквидистантном спектре;в - «зеемановская» и «спин-спиновая» спиновые температуры;
- энергия, и - населённость; пунктир соответствует распределению Больцмана.
Распределение (1) сводится при этом к Больцмана распределению населённостей ni по уровням
:
Если спиновая система не подвергается внеш. воздействиям, она приходитв равновесие с решёткой, играющей роль термостата; при этом TS= T0. Однако при воздействии резонансного радиочастотногомагн. поля с частотой
, индуцирующего квантовые переходы между соседними магн. уровнями [см. Ядерныймагнитный резонанс (ЯМР)], населённости уровней постепенно выравниваются, <что в соответствии с (2) означает повышение С. т. В пределе и
(насыщение ЯМР).
Понятие С. т. обобщается также на системы с разл. расстояниями междусоседними уровнями энергии, что типично для электронного парамагнитногорезонанса, ядерного квадрупольного резонанса и др. В этом случае отсутствиерезонанса между разл. переходами спектра препятствует установлению квазиравновесияс единой С. т. TS. Однако каждой паре уровней j,. можно приписать, следуя (2), свою «парциальную» С. т.
При насыщении к.-л. перехода (напр.,
на рис., б) населённости этих уровней выравниваются и соответствующая С. <т.
, тогдакак на др. переходах С. т. может оказаться как выше, так и ниже Т 0 илистать отрицательной (см. Отрицательная температура). Последнее означает, <в соответствии с (2), что населённость верх. уровня больше, чем нижнего(см. уровни 3, 2 на рис., б). Возможность состояний с отрицательнойС. т. характерна для систем (не только спиновой природы), спектр энергиик-рых ограничен сверху. Такие состояния способны к вынужденному испусканию эл.-магн. <поля, с ними связана работа квантовых генераторов и усилителей (см. <также Лазер).
Термодинамический смысл С. т. более полно проявляется в твёрдых парамагнетикахпри учёте энергии спин-спиновых взаимодействий. При этом каждый уровень
расщепляется в квазинепрерывную полосу шириной
, где HL- ср. локальное поле. При
квазиравновесие в такой системе описывается двумя С. т.: «зеемановской»Tsz и «спин-спиновой» TSS. Они характеризуют соответственнораспределения населённостей по уровням
ивнутри непрерывных полос (рис., в).
Адиабатич. уменьшение поля Н за время
приводит к понижению С. т. В частности, при адиабаич. размагничивании до Н=0 получается TS= T0HL/H. Адиабатич. <размагничивание электронных и ядерных парамагнетиков используют для магнитногоохлаждения до темп-р ниже 1К.
В магнитоупорядоченных веществах (ферро- и антиферромагнетиках) аналогомС. т. является эфф. темп-ра подсистемы магнонов (см. Релаксация магнитная).
Лит.: Гольдман М., Спиновая температура и ЯМР в твердых телах, <пер. с англ., М., 1972; Ацаркин В. А., Родак М. И., Температура спин-спиновыхвзаимодействий в электронном парамагнитном резонансе, «УФН», 1972, т. 107,с. 3; Абрагам А., Гольдман М., Ядерный магнетизм: порядок и беспорядок, <пер. с англ., т. 1-2, М., 1984. В. А. Ацаркин.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
.