7.4. Виды магнетиков

Классификацию магнетиков можно произвести, исходя из значений их магнитной восприимчивости вещества и характера ее зависимости от напряженности магнитного поля . Величина - безразмерная и рассчитана на единицу объема вещества. Вместо нее часто используют молярную магнитную восприимчивость вещества , где - объем одного моля вещества. Все магнетики подразделяются на три группы:

1) диамагнетики, у которых и мала по модулю ( м³/моль);

2) парамагнетики, у которых , но невелика ( м³/моль);

3) ферромагнетики, у которых и достигает больших значений ( м³/моль);

У диа- и парамагнетиков не зависит, а у ферромагнетиков зависит от . В изотропных диамагнетиках , а в пара- и ферромагнетиках - .

Примерами ферромагнитных веществ служат железо, никель, кобальт, парамагнитных – кислород, алюминий, хлористое железо, и диамагнитных – азот, углекислота, вода.

Воздух является парамагнетиком. Произведем опыт (см. рис. 7.7).

Рис. 7.7. Ампула с парамагнитным раствором хлористого железа,

подвешенная на тонкой нити в магнитном поле, втягивается в область более сильного поля и устанавливается параллельно направлению поля

(магнитная восприимчивость хлористого железа больше, чем у воздуха)

Если хлористое железо заменить на диамагнетик, например – на воду, то ампула развернется поперек магнитного поля, то есть будет выталкиваться в область более слабого магнитного поля.

Вывод. Поведение магнетиков в магнитном поле подобно поведению диэлектриков в электрическом поле.

7.5. Магнитомеханические явления

Опыты Резерфорда по изучению рассеяния - частиц, испускаемых радиоактивными препаратами, на металлической фольге были выполнены в 1911 г. Эти опыты явились окончательным экспериментальным обоснованием планетарной модели атома. Атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг ядер по круговым орбитам отрицательно заряженных электронов. Модель атома Резерфорда использует описание движения электронов в атомах на основе законов классической физики. По законам классической физики, орбитальное движение электронов не может быть устойчивым, так как неравномерное движение электронов должно сопровождаться излучением электромагнитных волн. В действительности законы классической физики применимы к макроскопическим телам, состоящим из очень большого числа элементарных частиц. Поведение же атомов может быть описано лишь на основе квантовых законов. Применение квантовых законов к описанию движения электронов в атомах нашло отражение в постулатах Бора. В постулатах утверждается, что орбиты электронов в атомах - стационарные и дискретные. Излучение или поглощение энергии атомами происходит квантами и связано со скачкообразным переходом электрона с одной разрешенной орбиты на другую.

Электрон, движущийся по круговой орбите, образует магнитный диполь (см. рис. 7.7).

Рис. 7.7

Так как заряд электрона – отрицательный, то вектор механического момента импульса электрона направлен противоположно вектору магнитного момента орбитального движения электрона. Имеем:

где - частота обращения электрона по орбите радиуса ,

и

где - скорость движения электрона по орбите, - масса электрона.

Так как

то

Определение. Отношение магнитного момента элементарной частицы к ее механическому моменту называется магнитомеханическим (или гиромагнитным) отношением.

Для орбитального движения электрона гиромагнитное отношение равно

(7.16)

Из рис. 7.7 видно, что магнитные свойства каждого атома связаны с механическим вращением электронов вокруг ядра. Этот факт лежит в основе магнитомеханических явлений: намагничение магнетика приводит к его вращению и, наоборот, вращение магнетика вызывает его намагничение.

Возникновения вращения магнетика при его намагничении было обнаружено экспериментально в опыте Эйнштейна и де Гааза (см. рис. 7.8).

Рис. 7.8

Тонкий железный стержень, подвешенный на упругой нити, помещали внутрь соленоида. При намагничении стержня в постоянном магнитном поле соленоида с током нить закручивалась на малый угол. Чтобы усилить эффект, соленоид питался не постоянным, а переменным током на частоте, равной собственной частоте механических колебаний системы. Амплитуда резонансных колебаний измерялась с помощью зеркала, укрепленного на нити. Из опыта было оценено гиромагнитное отношение электрона, которое по модулю оказалось почти в 2 раз больше, чем за счет орбитального движения электрона в (7.16), то есть

(7.17)

Такой же результат для величины гиромагнитного отношения электрона был получен в опыте Барнетта. Железный стержень приводился в очень быстрое вращение. При этом стержень намагничивался. Объяснение опыта: вращающийся электрон подобен гироскопу. При вращении стержня каждый такой гироскоп, наряду с собственным, получал дополнительно принудительное вращение. При этом ось вращения каждого гироскопа стремится ориентироваться в направлении вынужденного вращения.

Видно, что экспериментальный результат (7.17) не согласуется с теоретически ожидаемым (7.16) для орбитального движения электрона. Объяснение несоответствия было дано в квантовой теории: электрон, как и другие элементарные частицы, обладает собственным механическим моментом (спином) и соответствующим ему собственным магнитным моментом . Причем гиромагнитное отношение для собственных моментов электрона

(7.18)

Вывод. Магнитные свойства железа, как и других ферромагнетиков, обусловлены не орбитальным, а собственным магнитным моментов электронов.

Спин элементарных частиц оказывается целым или полуцелым кратным постоянной Планка .

Магнитный момент атома векторно складывается из орбитальных и собственных магнитных моментов электронов и магнитного момента ядра. Момент ядра складывается из магнитных моментов входящих в него протонов и нейтронов. Магнитный момент ядра обычно мал по сравнению с магнитным моментом электрона. При рассмотрении многих явлений магнитные моменты ядер не учитывают.

В опытах Штерна и Герлаха (см. рис. 7.9) магнитные моменты атомов измерялись экспериментально. Пучок атомов пропускался через сильно неоднородное магнитное поле. Неоднородность поля обеспечивалась специальной формой полюсных наконечников электромагнита.

Рис. 7.9

В неоднородном поле на атомы пучка действует сила

где - угол между магнитным моментом атома и индукцией магнитного поля .

Из-за теплового движения значения углов для разных атомов в пучке распределены хаотически (в пределах от до ). После прохождения в магнитном поле, на экране вместо сплошного растянутого следа пучка регистрировались отдельные линии, расположенные симметрично относительно следа пучка, полученного в отсутствие магнитного поля. Число линий зависит от рода вещества.

Вывод. Углы ориентации магнитных моментов атомов относительно направления магнитного поля могут принимать только дискретные значения, то есть проекция магнитного момента на направление магнитного поля квантуется.

Измерения показали, что магнитные моменты атомов могут достигать значений порядка нескольких магнетонов Бора , где . Например собственный магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора. У некоторых атомов расщепления пучка в неоднородном магнитном поле не обнаруживается. Такие атомы не обладают магнитными моментами.