Institut für Experimentalphysik I

Arbeitsgruppe "Polarisiertes Target"

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Der Spin eines Teilchens ist eine fundamentale Teilcheneigenschaft, der sich mathematisch wie ein Drehimpuls behandeln lässt.
Verschiedenen Teilchen lassen sich dabei verschiedene Spinwerte s zuordnen. So spricht man bei Elektronen, Protonen und Neutronen (alle s=½) von Spin-½-Teilchen, während man etwa beim Deuteron, einem aus Proton und Neutron zusammengesetzten Teilchen, s=1 ist und man somit von einem Spin-1-Teilchen spricht. Bei Kernen spricht man anstelle von s auch häufig vom Kernspin I.
Jedes spinbehaftete Teilchen kann unterschiedliche Energieniveaus besetzen, die mit der Orientierung des Spins bezüglich einer Vorzugsrichtung s_z, meistens der Richtung des äußeren Magnetfeldes, verknüpft sind. Im Allgemeinen kann ein Teilchen 2s+1 Orientierung annehmen und somit die gleiche Anzahl von Energieniveaus besetzen.

Beispielsweise ergeben sich somit für ein Proton zwei mögliche Orientierungen beziehungsweise Energieniveas, wie in der oben stehenden Grafik veranschaulicht wird. Wie man sieht wächst dabei der Abstand zwischen den Energieniveaus mit zunehmender Magnetfeldstärke, was für die spätere Betrachtung der Polarisation noch von Bedeutung ist.

Polarisation

In der Kernphysik versteht man unter dem Begriff der Polarisation eines Teilchenensembles die Überbesetzung eine Zustandes bezüglich eines anderen, oder anders ausgedrückt: es befinden sich mehr Teilchen auf dem einen Energieniveau als auf dem anderen.
Mathematisch lässt sich dieser Zusammenhang wie folgt ausdrücken:

wobei N die jeweilige Anzahl der Teilchen auf den unterschiedlichen Energieniveaus angibt. In der untern stehenden Grafik sind hierzu zwei Beispiele gezeigt.

Eine gewisse Überbesetzung eines Zusandes zu zugunsten eines anderen liegt eigentlich immer vor. Bedingt durch die unterschiedlichen Energieniveaus und den Bestreben eines jeden System seine Energie zu minimieren werden energetisch niedriegere Zustände bevorzugt besetzt. Daher stellt sich für gegebene Temperatur T und Magnetfeld B nach einer Zeit ein Gleichgewichtszustand ein. Im sogenannte thermische Gleichgewicht, häufig mit TE abgekürzt, lässt sich die Polarisation über

berechnen. In der Grafik ist die Polarisation bei niedrigen Temperaturen für verschiedene Teilchen dargestellt. Wie man sieht, steigt die Polarisation zu hoheren Magnetfeld, sowie zu niedrigeren Temperaturen hin an.

Mit der Methode der "dynamischen Nukleonenpolarisation", abgekürzt DNP, lassen sich schließlich noch weit aus höhere Polarisation erreichen. Hierfür wird praktisch die hohe Polarisation der Elektronen auf die Kerne übertragen.