Атом в магнитном поле. Магнитные моменты электро-нов и атомов. Орбитальный и спиновой магнитные моменты.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Для объяснения намагничивания тел французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи, которые называются молекулярными токами (микротоки). Каж-дый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследст-вие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего вещество (магнетик) намагничивается − его суммар-ный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля

Природа молекулярных токов стала понятней после того, как опытами английского физика Эрнеста Резерфорда было установлено, что атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Пусть электрон движется со скоростью υ по орбите радиуса R (рис. 4.1.1). Через площадку, расположенную в любом месте на пути электрона, за один оборот переносится заряд

где e – элементарный заряд. Следовательно, движущийся по орбите электрон образует круговой ток силы

где Т и n – период и частота вращения электрона соответственно.

p_m I

q

O

R

υ

L₀

Рис. 4.1.1

Поскольку заряд электрона отрицательный, направление движе-ния электрона и направление тока противоположны. Магнитный мо-мент тока, создаваемого электроном, равен:

где т_е – масса электрона.

Вектор момента импульса L₀ называют орбитальным моментом импульса электрона.Направления векторов p_m и L₀противоположны

(рис. 4.1.1).

Отношение магнитного момента элементарной частицы к ее мо-менту импульса называется гиромагнитным отношением. Для элек-

трона орбитальное гиромагнитное отношение равно:

где g_орб = _2m^e_e − орбитальное гиромагнитное соотношение.

Взаимосвязь магнитного момента и орбитального момента им-пульса лежит в основе магнитомеханических явлений, заключающих-ся в том, что вращение магнетика вызывает его намагничиванию и, наоборот, намагничивание магнетика приводит к его вращению . Су-ществование первого явления было экспериментально доказано аме-риканским физиком Сэмюэлем Барнеттом в 1909 году, второго – не-мецким физиком Альбертом Эйнштейном и голландским физиком Вандером Йоханнесем де Хаасом в 1915 году.

В основе опыта Эйнштейна и де Хааса лежат следующие сообра-жения. Если намагнитить стержень из магнетика, то магнитные мо-менты электронов установятся по направлению поля, механические моменты − против поля. В результате суммарный момент импульса электронов ∑L_i станет отличным от нуля (первоначально вследствие хаотической ориентации моментов отельных электронов он был равен нулю). Момент импульса системы «кристаллическая решетка и элек-троны» должен остаться без изменений (согласно закону сохранения момента импульса). Поэтому стержень приобретает момент импульса, равный ∑L_i и направленный противоположно суммарному моменту импульса электронов, и, следовательно, приходит во вращение.

Опыт Эйнштейна и де Хааса осуществлялся следующим образом (рис. 4.1.2). Тонкая железная проволочка подвешивалась на упругой нити и помещалась внутрь соленоида. Закручивание нити при намаг-ничивании образца постоянным магнитным полем получалось весьма малым. Для усиления эффекта был применен метод резонанса: по цепи соленоида пропускали переменный ток, частота которого под-биралась равной собственной частоте механических колебаний сис-темы. При этих условиях амплитуда колебаний достигала наиболь-ших значений, которые можно было измерить, наблюдая смещения светового зайчика , отраженного от зеркальца, укрепленного на нити. Из данных опыта было вычислено гиромагнитное отношение, кото-

рое оказалось равным − ^e . Таким образом, знак заряда носителей, m_e

создающих молекулярные токи, совпал со знаком заряда электрона. Однако полученный результат превысил ожидаемое значение гиро-магнитного отношения в два раза.

∼

Рис. 4.1.2

С. Барнетт приводил железный стержень в очень быстрое враще-ние вокруг его оси и измерял возникающее при этом намагничивание. Из результатов этого опыта С. Барнетт также получил для гиромаг-нитного отношения величину, в два раза большую.

В дальнейшем выяснилось, что, кроме орбитального момента им-

пульса, электрон обладает собственным моментом импульса L_S или

спином.Первоначально предполагалось,что он образуется вследствиевращения электрона вокруг собственной оси. В соответствии с этим соб-ственный механический момент электрона получил название спин (от английского to spin − вращаться). Однако в дальнейшем выяснилось, что спин является первичной характеристикой электрона, которую нельзя свести к более простым понятиям (как, например, масса и заряд).

Собственный магнитный момент электрона p_S связан со спином

где g_S = e m_e −спиновое гиромагнитное соотношение.

Спиновое гиромагнитное соотношение совпадает со значением, полученным в опытах Эйнштейна и де Хааса, а также Барнетта. От-сюда следует, что магнитные свойства железа обусловлены не орби-тальным, а собственным магнитным моментом электронов.

Спином обладают не только электроны, но и другие элементар-ные частицы. Собственным магнитным моментом обладают также яд-ра атомов (что обусловлено магнитными моментами входящих в со-став ядра элементарных частиц − протонов и нейтронов).

Таким образом, магнитный момент атома слагается из орбиталь-ных и собственных моментов входящих в его состав электронов, а также из магнитного момента ядра.