Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

216

нейтронов

и

атомных

ядер

пользуются

ядерным

магнетоном

2

p

p

e

m

где

m

p

масса

протона

 (

или

масса

ядра

), 

e

заряд

электрона

постоянная

Планка

В

системе

единиц

Си

μ

p

 = 

5,05

 10

-27

А

м

2

 (

Дж

/

Тл

.

Орбитальный

магнитный

момент

электрона

.

Используя

аналогию

с

контуром

вычислим

магнитный

момент

соответствующий

орбитальному

движению

электрона

  (

р

орб

m

). 

Сила

тока

соответствующая

вращению

электрона

по

круговой

орбите

определяется

формулой

I = 

е

/

Т

где

е

заряд

электрона

Т

период

его

обращения

Так

как

период

Т

 = 2

π

r/v (r 

радиус

орбиты

, v 

скорость

электрона

), 

то

сила

тока

равна

 I = ev/2

π

r. 

Площадь

контура

это

площадь

круга

 S = 

π

r

2

Теперь

можно

рассчитать

орбитальный

магнитный

момент

электрона

:  

р

орб

=IS = (ev/2

π

r)/ 

π

r

2

=

evr/2. 

Орбитальный

момент

импульса

электрона

.

В

физических

экспериментах

обычно

измеряют

не

сам

орбитальный

магнитный

момент

а

его

отношение

к

другой

характеристике

орбитального

движения

 – 

моменту

импульса

Моментом

импульса

материальной

точки

относительно

оси

называют

величину

равную

произведению

импульса

точки

на

расстояние

ее

до

оси

вращения

В

соответствии

с

этим

момент

импульса

электрона

вращающегося

по

круговой

орбите

выражается

следующей

формулой

: L

орб

 = 

mvr, 

где

 m 

масса

электрона

Направления

векторов

 L

op6

и

р

орб

m

показаны

на

рисунке

 88. 

Поскольку

электрон

отрицательная

частица

то

его

вращению

по

часовой

стрелке

соответствует

  «

ток

», 

текущий

Рисунок

 88. 

Магнитный

и

механический

орбитальные

моменты

электрона

background image

217

против

часовой

стрелки

Орбитальное

магнитомеханическое

отношение

для

электрона

Можно

вычислить

упомянутое

выше

отношение

магнитного

момента

к

моменту

импульса

для

орбитального

движения

электрона

Это

отношение

называют

магнитомеханическим

отношением

 G

op6

:  

G

op6

 = 

р

орб

m

 / L

op6

 = 

е

/2m. 

Мы

видим

что

это

отношение

является

постоянной

величиной

то

есть

магнитный

момент

и

момент

импульса

жестко

связаны

друг

с

другом

.  

Спин

Спиновый

магнитный

момент

электрона

.

Обнаружилось

что

электрон

помимо

орбитального

момента

импульса

обладает

и

собственным

моментом

импульса

который

называется

спином

Первоначально

это

связывали

с

вращением

электрона

вокруг

собственной

оси

  (

отсюда

и

название

спин

 – 

волчок

). 

Позже

выяснилось

что

эта

наглядная

аналогия

является

очень

грубой

Поэтому

физики

от

нее

отказались

и

считают

спин

неотъемлемой

характеристикой

элементарных

частиц

присущей

их

природе

Спин

обозначают

 L

cn

 (

формулу

для

расчета

спина

мы

не

рассматриваем

). 

Со

спином

электрона

  (

и

других

частиц

связан

еще

один

магнитный

момент

который

называется

спиновым

магнитным

моментом

  (

р

cn

). 

Таким

образом

полный

магнитный

момент

электрона

складывается

из

двух

частей

орбитальной

  (

р

 op6

и

спиновой

  (

р

cn

). 

Для

электрона

отношение

собственного

магнитного

момента

к

собственному

моменту

импульса

 (

спину

вдвое

больше

чем

для

орбитального

движения

:  

G

cn

 = P

 cn

/L

cn 

= e/m. 

Это

отношение

называют

спиновым

магнитомеханическим

отношением

Множитель

Ланде

 (gr-

фактор

). 

Формулы

можно

записать

в

обобщенном

виде

: P/L= 

g(e/2m). 

Коэффициент

 g 

называют

множителем

Ланде

Для

орбитального

движения

электрона

он

равен

 1 (g

o

рб

 = 1), 

для

спина

электрона

он

равен

 2 (g

cn

 = 2). 

Специальные

физические

эксперименты

позволяют

определять

магнитомеханические

отношения

для

конкретных

веществ

и

на

основании

этого

делать

выводы

о

роли

орбитальных

или

спиновых

магнитных

моментов

в

процессах

намагничивания

.  

background image

218

Магнитные

моменты

атомов

и

молекул

обусловлены

пространственным

движением

электронов

  (

так

называемые

орбитальные

токи

и

соответствующие

им

орбитальные

магнитные

моменты

электронов

), 

силовыми

магнитными

моментами

электронов

соответствующими

их

собственным

моментам

импульса

вращательным

движением

молекул

(

вращательный

магнитный

момент

), 

а

также

магнитными

моментами

атомных

ядер

Магнитный

момент

ядра

обусловлен

спиновыми

моментами

протона

и

нейтрона

а

также

орбитальным

моментом

движения

протона

внутри

ядра

Магнитным

моментом

обладают

все

ядра

у

которых

результирующий

механический

момент

отличен

от

нуля

Магнитные

моменты

ядер

на

несколько

порядков

меньше

орбитального

и

спинового

магнитного

моментов

электрона

4. 

Магнитные

свойства

вещества

намагниченность

Парамагнетики

диамагнетики

и

ферромагнетики

  

Магнитное

поле

воздействует

на

ориентацию

частиц

вещества

имеющих

магнитные

моменты

В

результате

этого

вещество

намагничивается

Магнетиками

называют

все

вещества

при

рассмотрении

их

магнитных

свойств

Степень

намагничивания

вещества

характеризуется

специальной

величиной

 – 

намагниченностью

 (J). 

Намагниченность

некоторой

области

вещества

равна

отношению

суммарного

магнитного

момента

всех

ее

частиц

к

объему

этой

области

j

Pm

V

i

Таким

образом

намагниченность

является

средним

магнитным

моментом

единицы

объема

магнетика

Единицей

намагниченности

является

ампер

на

метр

  (

А

/

м

). 

По

своим

свойствам

магнетики

делятся

на

три

основных

класса

парамагнетики

диамагнетики

ферромагнетики

Все

вещества

помещенные

в

магнитное

поле

приобретают

магнитные

свойства

то

есть

намагничиваются

и

поэтому

в

некоторой

мере

изменяют

внешнее

 (

первоначальное

поле

При

этом

оказывается

что

одни

вещества

ослабляют

внешнее

поле

а

другие

 – 

усиливают

его

первые

называются

диамагнитными

вторые

 – 

background image

219

парамагнитными

веществами

или

короче

диамагнетиками

и

парамагнетиками

Ферромагнетиками

называют

вещества

вызывающие

очень

большое

усиление

внешнего

поля

(

кристаллическое

железо

никель

кобальт

а

также

некоторые

сплавы

и

окислы

этих

металлов

и

некоторые

сплавы

марганца

и

хрома

). 

Подавляющее

большинство

веществ

относится

к

диамагнетикам

Диамагнетиками

являются

такие

элементы

как

фосфор

сера

сурьма

углерод

многие

металлы

  (

висмут

ртуть

золото

серебро

медь

и

др

.), 

большинство

химических

соединений

  (

вода

почти

все

органические

соединения

). 

К

парамагнетикам

относятся

некоторые

газы

  (

кислород

азот

и

металлы

  (

алюминий

вольфрам

платина

щелочные

и

щелочноземельные

металлы

). 

У

диамагнитных

веществ

суммарный

магнитный

момент

атома

 (

молекулы

равен

нулю

так

как

имеющиеся

в

атоме

орбитальные

спиновые

и

ядерные

магнитные

моменты

взаимно

компенсируются

Однако

под

влиянием

внешнего

магнитного

поля

у

этих

атомов

возникает

(

индуцируется

магнитный

момент

направленный

всегда

противоположно

внешнему

полю

В

результате

диамагнитная

среда

намагничивается

и

создает

собственное

магнитное

поле

направленное

противоположно

внешнему

полю

и

поэтому

ослабляющее

его

  (

рисунок

 89). 

Следовательно

относительная

магнитная

проницаемость

диамагнетика

меньше

единицы

 (µ < 1), 

хотя

отличие

от

единицы

очень

незначительно

 (

тысячные

доли

). 

Индуцированные

магнитные

моменты

атомов

диамагнетика

сохраняются

до

тех

пор

пока

существует

внешнее

поле

При

ликвидации

внешнего

поля

индуцированные

магнитные

моменты

атомов

исчезают

и

диамагнетик

размагничивается

.  

В

j

j = 0

В

= 0

В

j

j = 0

В

= 0

Рисунок

 89. 

Диамагнетик

в

магнитном

поле

background image

220

У

атома

  (

молекулы

парамагнитных

веществ

орбитальные

спиновые

и

ядерные

магнитные

моменты

не

компенсируют

друг

друга

Поэтому

атомы

парамагнетика

всегда

обладают

магнитным

моментом

являясь

как

бы

элементарными

магнитами

Однако

атомные

магнитные

моменты

расположены

беспорядочно

и

поэтому

парамагнитная

среда

в

целом

не

обнаруживает

магнитных

свойств

Внешнее

магнитное

поле

поворачивает

атомы

парамагнетика

так

что

их

магнитные

моменты

устанавливаются

преимущественно

в

направлении

поля

полной

ориентации

препятствует

тепловое

движение

атомов

В

результате

парамагнетик

намагничивается

и

создает

собственное

магнитное

поле

всегда

совпадающее

по

направлению

с

внешним

полем

и

поэтому

усиливающее

его

(

рисунок

 90). 

Относительная

магнитная

проницаемость

парамагнетиков

немного

больше

единицы

 (µ >1). 

При

ликвидации

внешнего

поля

тепловое

движение

сразу

же

разрушает

ориентацию

атомных

магнитных

моментов

и

парамагнетик

размагничивается

У

ферромагнетиков

имеется

множество

сравнительно

крупных

самопроизвольно

намагниченных

до

насыщения

областей

называемых

доменами

Линейные

размеры

домена

имеют

порядок

 10

-4

м

Домен

объединяет

многие

миллиарды

атомов

в

пределах

одного

домена

магнитные

моменты

всех

атомов

ориентированы

одинаково

 (

спиновые

магнитные

моменты

электронов

всех

атомов

точнее

). 

Однако

ориентация

самих

доменов

разнообразна

Поэтому

в

отсутствие

внешнего

магнитного

поля

ферромагнетик

в

целом

оказывается

ненамагниченным

С

появлением

внешнего

поля

домены

ориентированные

своим

магнитным

моментом

в

направлении

этого

поля

начинают

В

j

j = 0

В

= 0

В

j

j = 0

В

= 0

Рисунок

 90. 

Парамагнетик

в

магнитном

поле

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211