J. Phys. France 46, 1335-1344 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:019850046080133500

Longitudinal electronic and nuclear spin diffusion in atomic hydrogen

J.P. Bouchaud et C. Lhuillier

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'E.N.S., 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France

Abstract
The general results recently obtained for the Boltzmann collision term in a gas of atomic hydrogen are applied to the study of longitudinal spin diffusion in high magnetic fields. This phenomenon can be described as a diffusion of concentration in a four component reactive mixture (the reaction being here the electronic transfer between nuclei). A numerical discussion of all the coefficients of the diffusion matrix between 100 mK to 100 K is given in the text, together with a discussion of the nature of the hydrodynamic modes in such a situation. The variations of the diffusion coefficients with the internal state of the gas are important for temperatures lower than 500 mK or higher than 10 K, when the spin exchange process is not negligible compared to the direct process. Finally, the relative importance of these two processes determines the nature of the hydrodynamic modes in the system.

Résumé
Partant de l'équation de Boltzmann quantique régissant la dynamique de l'hydrogène atomique, on étudie la diffusion de la composante longitudinale des spins électronique ou nucléaire en haut champ magnétique. Ce problème est équivalent à un problème de diffusion de concentration dans un mélange réactif à quatre composantes (la réaction étant ici le transfert électronique). L'importance des divers coefficients de la matrice de diffusion est présentée numériquement dans un très large domaine de température (100 mK-100 K). Il est montré comment ces coefficients varient avec l'état interne du système. Ces variations sont considérables pour toutes les températures inférieures à 500 mK ou supérieures à 10 K, beaucoup plus faibles dans le domaine des températures intermédiaires à cause de la faiblesse des phénomènes d'échange de spin dans ce domaine de température. L'importance relative des phénomènes d'échange de spin vis-à-vis des processus directs de collision détermine la nature des modes hydrodynamiques décrivant la diffusion des variables internes d'un tel système.

PACS
5110 - Kinetic and transport theory of gases.
5160 - Magnetic properties.
6790 - Other topics in quantum fluids and solids; liquid and solid helium.

Key words
diffusion in gases -- spin dynamics -- spin polarised atomic hydrogen