Магнитни моменти на електрони и атоми

Имайки предвид ефекта на магнитното поле върху проводници с ток и върху движещи се заряди, ние не се интересувахме от процесами, срещащи се в веществото. Свойствата на средата бяха взети под внимание формално, като се използва магнитната пропускливост m. За дада се разберат магнитните свойства на средата и тяхното въздействие върху магнитната индукцияе необходимо да се разгледа ефектът на магнитното поле върху атомите и молекулите на веществото.

Опитът показва, че всички вещества, поставени в магнитно поле, се магнетизиратса. Помислете за причината за това явление.от гледна точка на структурата на атомите илекули, базирани на хипотезата на Ампер (вж. § 109), според която микроскопични токове съществуват във всяко тяло,

причинени от движението на електрони в атоми и молекули.

За качествено обяснение магьосникътявления с достатъчно приближениеможе да се приеме, че електронът се движив атома по кръгови орбити. Elecтрон, движещ се по една от тези орбити, е еквивалентен на кръгов токтова той има орбитален магнитмомент(вж. (109.2)) стрm = АзСн, Moчиято муцуна

Където I = ev - сила на тока, v - честотаелектронна орбитала, S е орбиталната област. Ако електрон се движи час по часстрелка (фиг. 187), тогава токът е насочен обратно на часовниковата стрелка и вектора Rм в св съответствие с правилото на десния винт е насочен перпендикулярно на орбиталната равнинати електрон.

От друга страна, движейки се по опелектронът има механичен момомент на инерция Le, чийто модул, спублично (19.1),

Където v =2pvr, pr 2 = S. Вектор Lд (той даплатката също се подчинява на правилното правило на винта) се нарича орбитален механичен момент на електрона.

Фиг. 187 следва, че указанията Rm и Lд са противоположни, следователно вземете под вниманиеизраз (131.1) и (131.2), получаваме

стрm = - (e/2m)Le = gLд, (131.3)

Наречен съотношение на гиромагнитния орбитален импулс(общи писъс знака "-", показващ, че посоките на моментите са противоположнинас). Това е връзка, дефинирана от uniВерсалните константи са еднакви за всяка орбита, въпреки че за различни орбити стойностите v и r са различни. Формулата (131.4) е получена за кръгова орбита, но е валидна и за елиптични орбити. Експериментално определяне на жироскопмагнитното съотношение е проведено в експериментите на Айнщайн и де Хаас (1915), които наблюдават въртенето на свободно окаченотидете на най-тънкия кварцов железен конецта пръчка, когато е намагнетизирана във външнатамагнитното поле (по соленоидната намоткада променлив ток се предаваше с чести-

което е равно на честотата на усукващите вибрации на пръта). Когато изследването е принудителносе определят торсионните вибрации на прътасподели гиромагнитното съотношение, коетороят се оказа равен - (f/t). Така че зав същото време знакът на носителите, отговорни за молекулярните токове, съвпада със знака на електронния заряд и гиромагнитното съотношениепромяната се оказа два пъти по-голяма от въведената по-рано стойност ж (вж. (131.4)). За да се обясни този резултат, катокоето е от голямо значение за по-нататъшното развитие на физиката, се предполагаше и по-късно доказа, че освен кълботомомент (вж. (131.1) и (131.2)), който има електронът собствен механикъглов момент Lе извикан въртене.Смятало се, че спинът се дължи на въртенето на електрон около оста си, което е довело до редица противоречия. Сега е установено, че спинът е присъщо свойство на електрическототрон, като неговия заряд и маса. Гърбът на електрон Les съответства вътрешен (спинов) магнитен момент pms, околопорциониран Les и насочени към пропротивоположната страна:

Количеството gs Наречен жиромагнитно съотношение на въртящите моменти.

Проекцията на вътрешния магнитен момент върху посоката на вектора В може да приеме само една от следните две стойности:

където h = h/(2p) (h - константа на Планк), mw - Бор магнетон,бидейки едномагнитният момент на електрона.

В общия случай магнитният момент на електрона е сбор от орбиталния и спиновия магнитни моменти. Магнитмомент на атома, следователно, складовесе формира от магнитните моменти на съставящите го електрони и магнитния моядката на сърцевината (поради магнитниченгета от протони, влизащи в ядрото ина тронове). Магнитните моменти на ядрата обаче са хиляди пъти по-малки от магнитните моменти на електроните, поради което те се пренебрегват.

По този начин общият магнитен момент на атом (молекула) Ra е равно на векторната сумано магнитните моменти (орбитални и спинови) на електроните, влизащи в атома (молекулата):

стрa = SRm + SRг-ца. (131,6)

За пореден път обръщаме внимание на факта, че когато разглеждаме магнитните моменти на електрони и атоми, използвахме класическата теория, пренебрегвайки ограничениеторазликите, наложени върху движението на електроните от законите на квантовата механика. Това обаче не противоречи на получените резултати, тъй като за по-нататъшно обяснение на магнетизирането на веществата cyважното е само, че атомите имат магнитни моменти.

Диа- и парамагнетизъм

Всяко вещество е магнитни,тоест, той е в състояние да магнитнополе придобиват магнитен момент (магнетизират). За разбиране на козинататрябва да се има предвид естеството на това явлениеефектът на магнитното поле върху движениетоелектрони в атома.

За простота, приемете, че електрическататронът в атома се движи в кръгово кълботези. Ако електронната орбита е ориентирана по отношение на вектора B чрез произволнов същото време, правейки ъгъл а с него (фиг. 188), тогава може да се докаже, че се стига до тованякакво движение около В, при което клепачъттор на магнитния момент Rm, спазвайкистоящ ъгъл a, завърта се наоколо

управлявайте B с някои ъглови скорояхния. Такова движение в механиката наНаречен прецесия.Прецесията около вертикалната ос, преминаваща през опорната точка, се извършва, например, от диска на върха, когато движението е забавено.

По този начин електронните орбити на атом под действието на външно магнитно поле извършват прецесионно движениекоето е еквивалентно на кръговотоку. Тъй като този микроток се индуцира от външно магнитно поле, тогава, според правилото на Ленц, се появява атом смагнитно поле, насоченоnaya е противоположна на външното поле. Навъведените компоненти на магнитните полета на атомите (молекулите) се добавят исъздават свое собствено магнитно полеVA, отслабване на външното магнитно полеле. Този ефект се нарича диамагнитен ефект,и веществата върхумагнетизирани във външно магнитно поле спрямо посоката на полето се наричатСя диамагнетици.

При липса на външно магнитно полеЗа диамагнетик той е немагнитен, тъй като в този случай магнитните моменти на електрическитетронове взаимно компенсират и суматамагнитен момент на атома (той евекторната сума на магнитните моменти (орбитални и спинови) на електроните, съставляващи атома) е равна на нула. Диамагнетиците включват много метали (нанапример Bi, Ag, Au, Cu), повечето органични съединения, смоли, въглерод и др.

Тъй като диамагнитният ефект е obusуловени от действието на външно магнитно поле върху електроните на атомите на дадено вещество, тогава диамагнетизмът е присъщ на всички вещества. Въпреки това, заедно с диамагнитните материалисъществуват субекти и парамагнитни- вещества, които се магнетизират отвънмагнитно поле в посока на полето.

При парамагнитни вещества, при липса напоради външно магнитно поле магнитните моменти на електроните не се отменят един друг и атомите (молекулите) на парамагнетизмаcov винаги имат магнитен моментТом. Въпреки това, поради топлинно движениемолекули, техните магнитни моменти ориса произволно ориентирани, следователно парамагнитните вещества са магнитнине притежават свойства. При добавяне на парамагнитът във външно магнитно поле е настроен преобладаващ или азориентация на магнитните моменти на атомите на игрището (топлинното движение на атомите предотвратява пълната ориентация). Поради товаzom, парамагнетикът е магнетизиран, ссъздаване на собствено магнитно поле, стечаща в посока на външното поле и го усилва. Това ефектътНаречен парамагнитни.При отслабванекогато външното магнитно поле е намалено до нула, ориентацията на магнитните моменти порадидвижението на топлината се нарушава и парамката е размагничена. K парамагмрежите са рядкоземни елиment, Pt, Al и др. Диамагнитният ефект се наблюдава и при парамагнетиците, но е много по-слаб от парамагнитния иостава незабелязано.

От разглеждане на феномена на парамагнетикаот това следва, че обяснението му съвпададава обяснение на ориентационната (диполна) поляризация на диелектриците от дополярни молекули (вж. §87), само електрическият момент на атомите в случай на поляризация трябва да бъде заменен с магнитния момент на атомите в случай на намагнитване.

Обобщаване на качествения прегледрений на диа- и парамагнетизма, още веднъж отбелязваме, че атомите на всички вещества саса носители на диамагнитни свойства. ЕСдали магнитният момент на атомите е голям, тогава парамагнитните свойства преобладават над диамагнитните и веществото е памагнит за рамка; ако магнитният момент на атомите е малък, тогава диамагнетикът преобладавасвойства и веществото е диамагнетик.