МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.

Как уже обсуждалось, в классической физике, магнитные свойства вещества, в основном, объясняются на основе представлений о молекулярных токах, обусловленных орбитальным движением электронов. Возможно, ли проверить это экспериментально?

Рассмотрим орбитальное движение электрона не только как элементарный ток, но и как вращение частицы вокруг некоторой оси. Исходя из первого представления, вводится орбитальный магнитный момент , модуль которого равен ,

где - сила тока, - частота вращения электрона, S – площадь его орбиты.

С другой стороны, движущийся по орбите электрон имеет орбитальный механический момент , который, в соответствии, с оговоренными правилами противоположен магнитному моменту по направлению (рис.175).

Отношение величин этих орбитальных моментов называется магнитомеханическим или гиромагнитным отношением: (Кл/кг)

Гиромагнитное отношение не зависит от скорости электрона и радиуса его орбиты, т.е. справедливо для любых орбит, в том числе, и для эллиптических.

РИС.175 РИС.176 РИС.177 РИС.178

Связь магнитного и механического моментов позволяет проверить гипотезу молекулярных токов экспериментально.

Действительно, при помещении магнетика в магнитное поле, магнитные моменты атомов должны ориентироваться вдоль линий магнитной индукции, а механические моменты атомов, соответственно, будут ориентированы в противоположном направлении. Следовательно, в магнитном поле тело приобретает механический момент, и наоборот, - если привести тело во вращение, то оно должно намагничиваться.

Опыт Эйнштейна – де Гааза был посвящен проверке первого предположения. Цилиндр из магнетика, подвешенный на упругой нити намагничивался в магнитном поле (рис.176). До намагничивания механический момент цилиндра равнялся нулю. Для изолированной системы полный момент сохраняется, а значит, появившийся в результате намагничивания механический момент, должен быть компенсирован вращательным моментом, т.е. цилиндр должен начать вращаться.

Конечно, эффект закручивания нити, на котором подвешен цилиндр – невелик. Поэтому опыт проводился не однократным намагничиванием, а многократным при некоторой частоте перемены тока в соленоиде. В результате возникали вынужденные крутильные колебания, амплитуда которых при достаточно высокой добротности может быть хорошо измерена.

Кроме того, цилиндр брали из ферромагнетика, для которого намагничивание наиболее выражено.

В 1909 г. Барнет провел опыт по измерению намагниченности магнетика, вращающегося с некоторой частотой.

Эти опыты подтвердили связь магнитного и механического моментов, но расчеты дали гиромагнитное отношение в два раза больше теоретического для ферромагнитных материалов и промежуточные между этими значениями для других материалов.

Позднее было установлено, что для электрона характерно наличие собственного механического момента (спина) и собственного магнитного (спинового) моментов. Причем гиромагнитное отношение для этих моментов как раз в два раза больше, чем гиромагнитное отношение, полученное теоретически. Таким образом, магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены не орбитальным движением электронов, а собственными магнитными моментами электронов.

Для других веществ гиромагнитные отношения имеют промежуточные значения в зависимости от того, в какой пропорции и как в полных магнитных моментах атомов присутствуют вклады от орбитального движения электронов и их спинов.

Кроме того, необходимо отметить, что под магнитным моментом атома понимается не истинный магнитный момент атома, а его проекция на направление полного механического момента, так как, в общем случае, полный магнитный момент атома не коллинеарен его механическому моменту, а составляет с ним некоторый угол (рис.177). Это объясняется тем, полный магнитный момент – векторная сумма орбитальных и спиновых моментов, аналогично и для полного механического момента, но коэффициенты пропорциональности для моментов орбитального движения и спиновых различны.

В 1922 г. впервые экспериментально были определены магнитные моменты атомов различных химических элементов в серии опытов Штерна и Герлаха.

В вакууме проводилось испарение раскаленного вещества и пучок атомов, проходящих через диафрагму, попадал в неоднородное магнитное поле. В отсутствии магнитного поля в центре экрана, напротив диафрагмы, за некоторое время образовывалась полоска вещества.

В магнитном поле на атом, имеющий магнитный момент, действует сила и, следовательно, они должны отклоняться от центрального направления. Поэтому ожидалось, что при наличии магнитного поля на экране образуется размазанная полоса вещества, так как магнитные моменты влетающих атомов могут образовывать любые углы с вектором магнитной индукции.

Опыт показал, что для каждого вида атомов, двигающихся в неоднородном магнитном поле, на экране образуются узкие полоски вещества (рис.178). Для атомов ртути и магния образовывалась одна полоска в центре экрана, т.е. их атомы не обладали магнитным моментом.

Атомы серебра, натрия и образовывали на экране две симметричные относительно полоски, атомы ванадия – четыре полоски и т.д.

Эти эксперименты показали, что проекция магнитного момента для каждого вида атомов на направление индукции магнитного поле может иметь только определенные значения (квантуется).

Опыты Штерна и Герлаха – фундаментальные, так как они доказали атомную природу магнетизма и показали квантование спина и спинового магнитного момента электрона.

В рамках моделей классической физике не возможно обосновать существование атомов с нулевым магнитным моментом. С точки зрения квантовой физики не существует орбит, по которым движутся электроны, определяется лишь вероятность некоторого распределения электронов в атоме. Следовательно, возможно состояние со сферически симметричным распределением вероятности нахождения электрона, при котором его орбитальные механический и магнитный моменты равны нулю.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: