Магнитные моменты электронов и атомов.

Опыт показывает, что все вещества являются магнетиками, т.е. способны под действием внешнего магнитного поля создавать собственное, внутреннее магнитное поле (приобретать собственный магнитный момент, намагничиваться).

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах веществ циркулируют круговые молекулярные токи. Каждый такой микроток I_i имеет собственный магнитный момент и создает в окружающем пространстве магнитное поле (рис.1). В отсутствии внешнего поля молекулярные токи и связанные с ними ориентированы беспорядочно, поэтому результирующее поле внутри вещества и суммарный момент всего вещества равны нулю. При помещении вещества во внешнее магнитное поле магнитные моменты молекул приобретают преимущественно ориентацию в одном направлении, суммарный магнитный момент становится отличным от нуля, магнетик намагничивается. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга и внутри магнетика возникает его собственное внутреннее поле.

Рассмотрим причину этого явления на основе планетарной модели атома. Согласно Резерфорду, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Электрон, движущийся по круговой орбите вокруг ядра, можно рассматривать как круговой ток (микроток). Поскольку за направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, а заряд электрона отрицательный, направление микротока противоположно направлению движения электрона (рис.2).

Величину микротока I_e можно определить следующим образом. Если за время t электрон совершил N оборотов вокруг ядра, то через площадку, расположенную в любом месте на пути электрона, был перенесен заряд - заряд электрона).

Согласно определению силы тока,

где частота вращения электрона.

Если ток I течет по замкнутому контуру, то такой контур обладает магнитным моментом, модуль которого равен

,

где S - площадь, ограниченная контуром.

Для микротока такой площадью является площадь орбиты S = p r²

(r - радиус орбиты), а его магнитный момент равен

где w = 2pn - циклическая частота, - линейная скорость электрона.

Магнитный момент p_m, которым обладает электрон вследствие своего движения по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона.

Направление вектора образует с направлением микротока правовинтовую систему.

Как всякая материальная точка, движущаяся по окружности, электрон обладает моментом импульса:

.

Момент импульса L, которым обладает электрон вследствие своего движения по орбите, называется орбитальным механическим моментом. Он образует правовинтовую систему с направлением движения электрона. Как видно из рис.2, направления векторов и противоположны.

Отношение магнитного момента элементарной частицы к ее механическому моменту называется гиромагнитным отношением.

Гиромагнитное отношение орбитальных моментов для электрона по модулю равно

.

Оказалось, что, кроме орбитальных моментов (т.е. обусловленных движением по орбите), электрон обладает собственными механическим и магнитным моментами.

Первоначально существование и пытались объяснить, рассматривая электрон как шарик, вращающийся вокруг своей собственной оси, поэтому собственный механический момент импульса электрона получил название спин (от англ. spin - вращаться). В дальнейшем обнаружилось, что такое представление приводит к ряду противоречий и от гипотезы о «вращающемся» электроне отказались.

В настоящее время установлено, что спин электрона и связанный с ним собственный (спиновый) магнитный момент являются неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Экспериментальное определение гиромагнитного отношения спиновых моментов электрона привело к значению

.

Магнитный момент электрона в атоме складывается из орбитального и спинового моментов:

Магнитный момент атома слагается из магнитных моментов входящих в его состав электронов (магнитным моментом ядра ввиду его малости пренебрегают):

.