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

отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют
друг друга, и возникает внутреннее магнитное поле индукцией Bi , ко-
     
торое накладывается на внешнее магнитное поле индукцией B0. Ин-
дукция результирующего магнитного поля равна:    
B = B i + B . (4.1.1)
   

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

 

q = e, (4.1.2)

 

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


 


I = e = en, (4.1.3)  
T  
       

 

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

 

pm 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:

  pm = IS = enπR2. (4.1.4)  
Скорость движения электрона равна:    
  υ = 2πnR. (4.1.5)  
С учетом формулы (4.1.5) получается:    
  pm = eυR . (4.1.6)  
     
Момент p      
, обусловленный движением электрона по орбите, на-  
m          
зывается орбитальным магнитным моментом электрона.    
С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает мо-  
ментом импульса, равным:    
  L0= meυR, (4.1.7)  

где те – масса электрона.

 

Вектор момента импульса L0 называют орбитальным моментом импульса электрона.Направления векторов pm 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:

  pm = − e , (4.1.8)  
  L 2m  
  e     p    
С учетом взаимного расположения (направления моментов и  
L0противоположны)получаем         m    
             


pm =−g орбL0, (4.1.9)

где gорб = 2mee − 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 ∑Li 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 ∑Li 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, me

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 LS 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 pS связан со спином

 

спиновым гиромагнитным соотношением:  
pS = −gS LS , (4.1.10)

 

где gS = e me −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).

 


 
J H ,

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

 






Дата добавления: 2017-01-08; просмотров: 1359; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.018 сек.