МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

Магнитные моменты электронов и атомов

Мы до сих пор рассматривали возбуждение магнитного поля электрическими токами и движущимися зарядами, а также действие магнитного поля на проводники с током и на движущиеся заряды в вакууме. Однако, согласно гипотезе А. Ампера (1820), в веществе помимо макроскопических токов, текущих в проводниках, существуют микроскопические токи (молекулярные токи), обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Природа микроскопических токов стала понятной после опытов Резерфорда (см. § I, кн. 5), согласно которым атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг ядра по замкнутым орбитам электронов, образующих электронную оболочку атома (см. § 1, кн. 5).

Оставаясь в рамках классической теории, считаем, что электрон, движущийся со скоростью v по одной из таких орбит радиусом г, эквивалентен круговому току, направление которого показано на рис. 86 стрелкой. Сила тока

Рис. 86

где е — элементарный заряд; v — частота вращения электрона по орбите.

Круговому току соответствует орбитальный магнитный момент электрона

[см. (50.2)1, направленный перпендикулярно плоскости орбиты электрона, как указано на рис. 86. Модуль орбитального магнитного момента электрона

где 5= пг2 — площадь орбиты.

Электрон, движущийся по орбите, обладает орбитальным механическим моментом импульса,

модуль которого (см. § 29.3, кн. 1)

а его направление, определяемое также правилом правого винта, показано на рис. 86.

Из рис. 86 следует, что направления рт и L

противоположны, поэтому, согласно (62.1) и (62.2),

где величину

называют гиромагнитным отношением орбитальных моментов электрона (общепринято писать со знаком «—», указывающим на то, что направления моментов противоположны). Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит значения v и /-различны.

Тщательные эксперименты по определению гиромагнитного отношения (Эйнштейн и де Гааз,

1915) показали, что оно равно - —, т. е. знак Horn

сителей, обусловливающих молекулярные токи, совпадал со знаком заряда электрона, а гиромагнитное отношение оказалось в два раза большим, чем введенная ранее |см. (62.4)].

Для объяснения этого результата, имевшего большое значение для дальнейшего развития физики, было предположено, а впоследствии доказано, что помимо орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса 1,(, называемым спином.

Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг собственной оси, однако это привело к целому ряду противоречий. В настоящее время установлено, что спин имеет квантовую природу и является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину

электрона Lb соответствует собственный (спиновый)

магнитный момент рт, пропорциональный Lh и направленный в противоположную сторону:

Величину gs называют гиромагнитным отношением спиновых моментов.

В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома, следовательно, складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра (обусловлен магнитными моментами входящих в ядро протонов и нейтронов). Однако магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими пренебрегают. Таким образом, общий магнитный момент атома (молекулы) ря равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых), входящих в атом (молекулу) электронов:

Подчеркнем еще раз, что при рассмотрении магнитных моментов электронов и атомов мы пользовались классической теорией, не учитывая ограничений, накладываемых на движение электронов законами квантовой механики. Однако для дальнейшего объяснения намагничивания веществ существенно лишь то, что атомы обладают магнитными моментами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >