Магнитные и механические моменты электронов и атомов

Как мы уже говорили, магнитные свойства вещества определяются в основном магнитными моментами электронов. Движущийся по орбите электрон создает кольцевой ток, магнитный момент которого можно определить как . Здесь сделано предположение о том, что орбита является круговой, имеющей радиус r, а сила кольцевого тока I определена как заряд электрона е, деленный на время одного оборота (период вращения Т). От периода сделан переход вначале к угловой скорости w, а затем к линейной u.

Электрон обладает также механическим моментом импульса (см. раздел "Механика"): L = mur, где m – масса электрона. Отношение магнитного момента к моменту импульса называют гиромагнитным отношением. Для орбитального движения электрона оно равно

. (6.1)

Знак (-) указывает на то, что моменты имеют противоположные направления (рис. 6.1), так как направление тока отрицательно заряженного электрона противоположно направлению его скорости.

Поскольку магнитный момент связан с механическим, процесс намагничивания вещества должен сопровождаться механическими явлениями. Действительно, если под действием магнитного поля магнитные моменты выстраиваются преимущественно вдоль поля, то одновременно выстраиваются вдоль параллельного направления моменты импульса атомов и магнетик приводится во вращение. Существование этого явления было экспериментально доказано Эйнштейном и де Хазом, а наличие обратного явления - намагничивания магнетика при его быстром вращении – Барнеттом.

В опытах, проводимых ими с ферромагнитными стержнями, было установлено, что гиромагнитное отношение должно быть вдвое больше, чем определяемое из (6.1). Позже было установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются не орбитальными моментами электронов, а собственными (спиновыми) моментами. Понять существование такого момента можно, представив электрон шариком, вращающимся вокруг собственной оси. Правда, по современным данным, электрон не является вращающимся шариком. Считается, что спин (момент импульса) и спиновый магнитный момент электрона такие же его неотъемлемые свойства, как заряд и масса. Таким образом, гиромагнитное отношение для спина:

.

Магнитный момент атома является векторной суммой магнитных моментов электронов (орбитальных и спиновых) и магнитных моментов ядер. У атомов некоторых веществ суммарный магнитный момент равен нулю.