Bet kokios medžiagos. Magnetizmo susidarymo šaltinis, remiantis klasikine elektromagnetine teorija, yra mikrosrovės, atsirandančios dėl elektrono judėjimo orbitoje. Magnetinis momentas yra nepakeičiama visų be išimties branduolių, atominių elektronų apvalkalų ir molekulių savybė.
Magnetizmas, būdingas visoms elementarioms dalelėms, atsiranda dėl to, kad jose yra mechaninis momentas, vadinamas sukimu (savo mechaninis kvantinės prigimties impulsas). Magnetinės savybės atomo branduolys yra sudaryti iš sukimosi impulsų sudedamosios dalys branduoliai – protonai ir neutronai. Elektroniniai apvalkalai(intraatominės orbitos) taip pat turi magnetinį momentą, kuris yra ant jo esančių elektronų magnetinių momentų suma.
Kitaip tariant, magnetiniai momentai elementariosios dalelės ir atsiranda dėl intraatominio kvantinio mechaninio poveikio, žinomo kaip sukimosi momentas. Šis efektas yra panašus į kampinį sukimosi momentą aplink savo centrinė ašis. Sukimosi momentas matuojamas Plancko konstanta, pagrindine kvantinės teorijos konstanta.
Visų neutronų, elektronų ir protonų, iš kurių, pasak Plancko, iš tikrųjų sudaro atomas, sukinys yra lygus ½. Atomo struktūroje aplink branduolį besisukantys elektronai, be sukimosi momento, turi ir orbitinį kampinį momentą. Branduolys, nors ir užima statinę padėtį, turi ir kampinį impulsą, kurį sukuria branduolio sukimosi poveikis.
Magnetinis laukas, sukuriantis atominį magnetinį momentą, nustatomas pagal įvairių formųšis kampinis momentas. Labiausiai pastebimas indėlis į kūrybą yra sukimosi efektas. Pagal Pauli principą, pagal kurį du identiški elektronai vienu metu negali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje, surišti elektronai susilieja, o jų sukimosi momentai įgyja diametraliai priešingas projekcijas. Tokiu atveju sumažėja elektrono magnetinis momentas, o tai sumažina visos konstrukcijos magnetines savybes. Kai kuriuose elementuose, kurie turi lyginis skaičius elektronų, šis momentas sumažėja iki nulio, o medžiagos nustoja turėti magnetinių savybių. Taigi atskirų elementariųjų dalelių magnetinis momentas turi tiesioginės įtakos visos branduolinės atominės sistemos magnetinėms savybėms.
Feromagnetiniai elementai, turintys nelyginį elektronų skaičių, visada turės nulinį magnetizmą dėl nesuporuoto elektrono. Tokiuose elementuose gretimos orbitos persidengia, o visi nesuporuotų elektronų sukimosi momentai erdvėje yra vienodai orientuoti, todėl pasiekiama mažiausia energijos būsena. Šis procesas vadinamas mainų sąveika.
Dėl šio feromagnetinių atomų magnetinių momentų išlyginimo atsiranda magnetinis laukas. O paramagnetiniai elementai, susidedantys iš atomų su dezorientuotais magnetiniais momentais, savo neturi magnetinis laukas. Bet jei juos veiksite išoriniu magnetizmo šaltiniu, tada atomų magnetiniai momentai išsilygins, o šie elementai taip pat įgis magnetinių savybių.
Yra žinoma, kad magnetinis laukas orientuojasi į kilpą su srove, o kilpa sukasi aplink savo ašį. Taip atsitinka todėl, kad magnetiniame lauke rėmą veikia jėgų momentas, lygus:
Čia B yra magnetinio lauko indukcijos vektorius, srovė kadre, S yra jos plotas ir a yra kampas tarp jėgos linijų ir statmenos rėmo plokštumai. Ši išraiška apima sandaugą , kuris vadinamas magnetiniu dipolio momentu arba tiesiog kadro magnetiniu momentu Pasirodo, kad magnetinio momento dydis visiškai apibūdina rėmo sąveiką su magnetiniu lauku. Du kadrai, kurių vienas turi didelę srovę ir mažą plotą, o kitas turi didelį plotą ir mažą srovę, magnetiniame lauke elgsis taip pat, jei jų magnetiniai momentai bus lygūs. Jei rėmas mažas, tai jo sąveika su magnetiniu lauku nepriklauso nuo jo formos.
Magnetinį momentą patogu laikyti vektoriumi, kuris yra tiesėje, statmenoje rėmo plokštumai. Vektoriaus kryptis (aukštyn arba žemyn išilgai šios linijos) nustatoma pagal „įtvaro taisyklę“: antgalis turi būti pastatytas statmenai rėmo plokštumai ir pasuktas rėmo srovės kryptimi - rėmo judėjimo kryptimi. gimlet parodys magnetinio momento vektoriaus kryptį.
Taigi magnetinis momentas yra vektorius, statmenai plokštumai sistema.
Dabar įsivaizduokime kadro elgesį magnetiniame lauke. Ji stengsis taip apsisukti. kad jo magnetinis momentas būtų nukreiptas palei magnetinio lauko vektorių B. Nedidelę kilpą su srove galima naudoti kaip paprasčiausią " matavimo prietaisas» magnetinio lauko indukcijos vektoriui nustatyti.
Magnetinis momentas yra svarbi fizikos sąvoka. Atomai sudaryti iš branduolių, aplink kuriuos sukasi elektronai. Kiekvienas elektronas, judantis aplink branduolį kaip įkrauta dalelė, sukuria srovę, sudarydamas tarsi mikroskopinį rėmą su srove. Apskaičiuokime vieno elektrono, judančio apskritimo spindulio orbita, magnetinį momentą.
Elektros srovė, ty krūvis, kurį orbitoje esantis elektronas perduoda per 1 s, yra lygus elektrono e krūviui, padaugintam iš jo apsukų skaičiaus:
Todėl elektrono magnetinio momento dydis yra:
Jį galima išreikšti elektrono kampinio impulso dydžiu. Tada elektrono magnetinio momento vertė, susijusi su jo orbitiniu judėjimu, arba, kaip sakoma, orbitinio magnetinio momento vertė yra lygi:
Atomas yra objektas, kurio negalima apibūdinti naudojant klasikinę fiziką: tokiems mažiems objektams galioja visiškai kiti dėsniai – kvantinės mechanikos dėsniai. Nepaisant to, elektrono orbitinio magnetinio momento rezultatas yra toks pat kaip ir kvantinėje mechanikoje.
Priešingu atveju situacija yra su paties elektrono magnetiniu momentu – sukiniu, kuris yra susijęs su jo sukimu aplink savo ašį. Elektrono sukimuisi kvantinė mechanika suteikia magnetinio momento vertę, kuri yra 2 kartus didesnė už klasikinę fiziką:
ir šio skirtumo tarp orbitos ir sukimosi magnetinių momentų negalima paaiškinti klasikiniu būdu. Bendrą atomo magnetinį momentą sudaro visų elektronų orbitiniai ir sukimosi magnetiniai momentai, o kadangi jie skiriasi 2 kartus, atomo būseną apibūdinančio atomo magnetinio momento išraiškoje atsiranda koeficientas. :
Taigi atomas, kaip ir įprasta kilpa su srove, turi magnetinį momentą ir daugeliu atžvilgių jų elgesys yra panašus. Visų pirma, kaip ir klasikinio rėmo atveju, atomo elgesį magnetiniame lauke visiškai lemia jo magnetinio momento dydis. Šiuo atžvilgiu magnetinio momento sąvoka yra labai svarbi aiškinant įvairius fizikiniai reiškiniai vykstantys su medžiaga magnetiniame lauke.
Sterno ir Gerlacho eksperimentai
Už 1921 USD O. Sternas iškėlė idėją eksperimentui matuoti atomo magnetinį momentą. Šį eksperimentą jis atliko bendradarbiaudamas su W. Gerlach už $1922. Sterno ir Gerlacho metodas naudoja tai, kad atomų (molekulių) spindulys gali nukrypti nehomogeniniame magnetiniame lauke. Atomas, turintis magnetinį momentą, gali būti pavaizduotas kaip elementarus magnetas su mažais, bet baigtiniais matmenimis. Jei toks magnetas dedamas į vienodą magnetinį lauką, jis nepatiria jėgos. Laukas veiks šiaurinėje ir Pietų ašigalis toks magnetas, kurio jėgos yra vienodos dydžio ir priešingos krypties. Dėl to atomo inercijos centras bus ramybės būsenoje arba judės tiesia linija. (Šiuo atveju magneto ašis gali svyruoti arba precesuoti). Tai yra, vienodame magnetiniame lauke nėra jėgų, veikiančių atomą ir suteikiančių jam pagreitį. Vienodas magnetinis laukas nekeičia kampo tarp magnetinio lauko indukcijos krypčių ir atomo magnetinio momento.
Situacija kitokia, jei išorinis laukas yra nehomogeniškas. Šiuo atveju jėgos, veikiančios magneto šiaurinį ir pietinį polius, nėra lygios. Susidaranti jėga, veikianti magnetą, yra ne nulis, ir ji suteikia pagreitį atomui, išilgai lauko arba prieš jį. Dėl to judant nehomogeniškame lauke nagrinėjamas magnetas nukryps nuo pradinės judėjimo krypties. Šiuo atveju nuokrypio dydis priklauso nuo lauko nehomogeniškumo laipsnio. Norint gauti reikšmingų nuokrypių, laukas turi smarkiai pasikeisti jau magneto ilgio ribose (tiesiniai atomo matmenys yra $\approx (10)^(-8)cm$). Eksperimentuotojai tokį nevienalytiškumą pasiekė naudodami lauką sukuriantį magnetą. Vienas eksperimento magnetas atrodė kaip ašmenys, kitas buvo plokščias arba turėjo įpjovą. Magnetinės linijos sustorėjo ties „ašmenimis“, todėl įtempimas šioje srityje buvo žymiai didesnis nei plokščiojo poliaus. Tarp šių magnetų praskriejo plonas atomų pluoštas. Atskiri atomai buvo nukreipti sukurtame lauke. Ekrane buvo pastebėti atskirų dalelių pėdsakai.
Pagal klasikinės fizikos koncepcijas, magnetiniai momentai atominiame pluošte turi skirtingas kryptis tam tikros ašies $Z$ atžvilgiu. Ką tai reiškia: magnetinio momento ($p_(mz)$) projekcija šioje ašyje paima visas intervalo reikšmes nuo $\left|p_m\right|$ iki -$\left|p_m\right |$ (kur $\left|p_( mz)\right|-$ magnetinio momento modulis). Ekrane spindulys turėtų pasirodyti išplėstas. Tačiau į Kvantinė fizika, jei atsižvelgiama į kvantavimą, tada tampa įmanomos ne visos magnetinio momento orientacijos, o tik baigtinis jų skaičius. Taigi ekrane atomų pluošto pėdsakas buvo padalintas į tam tikrą skaičių atskirų pėdsakų.
Atlikti eksperimentai parodė, kad, pavyzdžiui, ličio atomų spindulys suskilo į 24 USD spindulius. Tai pateisinama, nes pagrindinis terminas $Li - 2S$ yra terminas (vienas valentinis elektronas su sukiniu $\frac(1)(2)\ $ s-orbitoje, $l=0).$ galima padaryti išvadą apie magnetinio momento dydį. Taip Gerlachas įrodė, kad sukimosi magnetinis momentas yra lygus Boro magnetonui. Įvairių elementų tyrimai parodė visišką atitikimą teorijai.
Sternas ir Rabi šiuo metodu išmatavo branduolių magnetinius momentus.
Taigi, jei projekcija $p_(mz)$ yra kvantuojama, kartu su ja kvantuojama ir vidutinė jėga, kuri veikia atomą iš magnetinio lauko. Sterno ir Gerlacho eksperimentai įrodė magnetinio kvantinio skaičiaus projekcijos į $Z$ ašį kvantavimą. Paaiškėjo, kad atomų magnetiniai momentai yra nukreipti lygiagrečiai $Z$ ašiai, jie negali būti nukreipti kampu į šią ašį, todėl teko susitaikyti su tuo, kad magnetinių momentų orientacija magnetinio lauko atžvilgiu keičiasi diskretiškai. . Šis reiškinys buvo vadinamas erdviniu kvantavimu. Ne tik atomų būsenų, bet ir atomo magnetinių momentų orientacijų išoriniame lauke diskretiškumas yra iš esmės nauja atomų judėjimo savybė.
Eksperimentai buvo visiškai paaiškinti atradus elektronų sukimąsi, kai buvo nustatyta, kad atomo magnetinį momentą lemia ne elektrono orbitinis momentas, o dalelės vidinis magnetinis momentas, kuris yra susijęs su jo vidinis mechaninis momentas (sukimas).
Magnetinio momento judėjimo nehomogeniniame lauke skaičiavimas
Tegul atomas juda nevienalyčiame magnetiniame lauke, jo magnetinis momentas lygus $(\overrightarrow(p))_m$. Ją veikianti jėga yra tokia:
Apskritai atomas yra elektriškai neutrali dalelė, todėl kitos jėgos magnetiniame lauke jo neveikia. Tiriant atomo judėjimą nevienalyčiame lauke, galima išmatuoti jo magnetinį momentą. Tarkime, kad atomas juda išilgai $X$ ašies, sukuriamas lauko nehomogeniškumas $Z$ ašies kryptimi (1 pav.):
1 paveikslas.
\frac()()\frac()()
Naudodami sąlygas (2), paverčiame išraišką (1) į formą:
Magnetinis laukas yra simetriškas y=0 plokštumos atžvilgiu. Galima daryti prielaidą, kad atomas juda šioje plokštumoje, o tai reiškia, kad $B_x=0.$ Lygybė $B_y=0$ pažeidžiama tik nedidelėse vietose prie magneto kraštų (į šį pažeidimą nepaisome). Iš to, kas išdėstyta aukščiau, išplaukia, kad:
Šiuo atveju išraiškos (3) turi tokią formą:
Atomų precesija magnetiniame lauke neturi įtakos $p_(mz)$. Atomo judėjimo erdvėje tarp magnetų lygtį užrašome tokia forma:
kur $m$ yra atomo masė. Jei atomas kerta kelią $a$ tarp magnetų, tada jis nukrypsta nuo X ašies atstumu, lygiu:
kur $v$ yra atomo greitis išilgai $X$ ašies. Palikdamas tarpą tarp magnetų, atomas ir toliau juda pastoviu kampu $X$ ašies atžvilgiu tiesia linija. Formulėje (7) žinomi dydžiai $\frac(\partial B_z)(\partial z)$, $a$, $v\ ir\ m$, išmatavus z galima apskaičiuoti $p_(mz)$.
1 pavyzdys
Pratimas: Kiek komponentų, atliekant eksperimentą, panašų į Sterno ir Gerlacho eksperimentą, suskils atomų pluoštas, jei jie bus $()^3(D_1)$?
Sprendimas:
Terminas padalijamas į $N=2J+1$ polygius, jei Lande daugiklis yra $g\ne 0$, kur
Norėdami rasti komponentų, į kuriuos skirsis atomų pluoštas, skaičių, turėtume nustatyti bendrą vidinį kvantinį skaičių $(J)$, daugumą $(S)$, orbitinį kvantinį skaičių, palyginti Lande daugiklį su nuliu ir jei jis nėra nulis, tada apskaičiuokite skaičiaus polygius.
1) Norėdami tai padaryti, apsvarstykite simbolinio atomo būsenos įrašo struktūrą ($3D_1$). Mūsų terminas iššifruojamas taip: simbolis $D$ atitinka orbitinį kvantinį skaičių $l=2$, $J=1$, $(S)$ daugiklis lygus $2S+1=3\to S = 1 USD.
Apskaičiuojame $g,$ taikydami formulę (1.1):
Komponentų, į kuriuos padalintas atomų pluoštas, skaičius yra lygus:
Atsakymas:$N=3.$
2 pavyzdys
Pratimas: Kodėl Sterno ir Gerlacho eksperimente elektrono sukimuisi aptikti buvo naudojamas vandenilio atomų pluoštas, kurio būsena buvo 1 s$?
Sprendimas:
$s-$ būsenoje elektrono kampinis impulsas yra $(L)$ nulis, nes $l=0$:
Atomo magnetinis momentas, susijęs su elektrono judėjimu orbitoje, yra proporcingas mechaniniam momentui:
\[(\overrightarrow(p))_m=-\frac(q_e)(2m)\overrightarrow(L)(2.2)\]
taigi jis lygus nuliui. Tai reiškia, kad magnetinis laukas neturėtų turėti įtakos vandenilio atomų judėjimui pradinėje būsenoje, ty dalyti dalelių srautą. Bet naudojant spektrinius instrumentus, buvo parodyta, kad vandenilio spektro linijos rodo smulkios struktūros (dubletų) buvimą, net jei nėra magnetinio lauko. Siekiant paaiškinti smulkios struktūros buvimą, buvo iškelta idėja apie vidinį mechaninį elektrono kampinį momentą erdvėje (sukinį).
Įvairios aplinkos svarstant jų magnetines savybes vadinamos magnetai .
Visos medžiagos vienaip ar kitaip sąveikauja su magnetiniu lauku. Kai kurios medžiagos išlaiko savo magnetines savybes net ir nesant išorinio magnetinio lauko. Medžiagų įmagnetinimas vyksta dėl atomų viduje cirkuliuojančių srovių – elektronų sukimosi ir jų judėjimo atome. Todėl medžiagos įmagnetinimas turėtų būti aprašytas naudojant tikras atomines sroves, vadinamas Ampero srovėmis.
Nesant išorinio magnetinio lauko, medžiagos atomų magnetiniai momentai paprastai būna atsitiktinai orientuoti, todėl jų sukuriami magnetiniai laukai vienas kitą panaikina. Kai veikia išorinis magnetinis laukas, atomai linkę orientuoti savo magnetinius momentus išorinio magnetinio lauko kryptimi, tada pažeidžiama magnetinių momentų kompensacija, kūnas įgauna magnetines savybes – įmagnetinamas. Dauguma kūnų įmagnetinami labai silpnai ir magnetinio lauko indukcijos dydis B tokiose medžiagose mažai skiriasi nuo magnetinio lauko indukcijos vakuume dydžio. Jeigu medžiagoje magnetinis laukas silpnai sustiprintas, tai tokia medžiaga vadinama paramagnetinis :
( , , , , , , Li, Na);
jei susilpnėja, vadinasi diamagnetinis :
(Bi, Cu, Ag, Au ir kt.) .
Tačiau yra medžiagų, kurios turi stiprių magnetinių savybių. Tokios medžiagos vadinamos feromagnetai :
(Fe, Co, Ni ir kt.).
Šios medžiagos gali išlaikyti magnetines savybes net ir nesant išorinio magnetinio lauko, atstovaujančio nuolatiniams magnetams.
Visi kūnai, kai jie patenka į išorinį magnetinį lauką yra įmagnetinti vienokiu ar kitokiu laipsniu, t.y. sukurti savo magnetinį lauką, kuris yra ant išorinio magnetinio lauko.
Magnetinės medžiagos savybės lemia elektronų ir atomų magnetinės savybės.
Magnetai susideda iš atomų, kurie savo ruožtu susideda iš teigiamų branduolių ir, palyginti, aplink juos besisukančių elektronų.
Elektronas, judantis atomo orbita, prilygsta uždarai grandinei su orbitos srovė :
kur e yra elektrono krūvis, ν yra jo orbitos sukimosi dažnis:
Orbitos srovė atitinka orbitos magnetinis momentas elektronas
 ,
|
(6.1.1) |
kur S yra orbitos plotas, yra normalus vektorius S, yra elektronų greitis. 6.1 paveiksle parodyta elektrono orbitinio magnetinio momento kryptis.
Orbita judantis elektronas turi orbitos kampinis momentas , kuri yra nukreipta priešinga ir yra susijusi su juo santykiu
kur m yra elektrono masė.
Be to, elektronas turi savo kampinį momentą, kuris vadinamas elektronų sukinys
| , | (6.1.4) |
kur 
, 
yra Plancko konstanta
Elektrono sukinys atitinka sukimosi magnetinis momentas elektronas nukreiptas priešinga kryptimi:
| , | (6.1.5) |
Vertė vadinama sukimosi momentų giromagnetinis santykis
