Природа молекулярных токов

Природу молекулярных токов и диамагнетизма можно объяснить в рамках представлений теории Бора, согласно которой электроны в атомах движутся по избранным стационарным орбитам. При таком движении электрон оказывается эквивалентным волчку (гироскопу) и характеризуется механическим моментом импульса , направленным перпендикулярно плоскости орбиты и связанным с направлением движения правилом правого винта. Вращающийся по орбите электрон создает замкнутый круговой электрический ток. Направление этого тока противоположно скорости движения электрона в силу отрицательности его заряда. Величина тока определяется зарядом, переносимым электроном в единицу времени. Если частота обращения электрона равна , то в единицу времени он переносит заряд , т.е. создает ток силой . Вектор магнитного момента этого кругового тока связан правилом правого винта не со скоростью электрона, а с силой тока и направлен противоположно . Магнитный и механический моменты электрона обусловлены движением электрона по орбите и называются орбитальными.

Отношение магнитного момента частицы к ее механическому моменту является характерным параметром микрочастиц и называется гиромагнитным отношением. Для орбитального движения электрона (с учетом противоположного направления моментов)

(19.22)

Спин электрона

Наличие у электрона одновременно магнитного и механического моментов обусловливает существование магитомеханических и механомагнитных явлений.

Существование магитомеханических явлений было экспериментально подтверждено опытами Эйнштейна и де Хааса. Рассматривая парамагнитное тело как замкнутую систему, следует предположить, что при помещении тела в магнитное поле происходит ориентация магнитных моментов электронов полем. Механический момент электронной подсистемы тела становится отличным от нуля. В силу закона сохранения момента импульса тело должно приобрести противоположный момент импульса, т.е. начать вращаться. В опытах Эйнштейна и де Хааса удалось наблюдать возникновение вращательных колебаний железного стержня в переменном магнитном поле.

Барнет наблюдал механомагнитное явление, заключавшееся в возникновении намагниченности у железного стержня, приведенного в очень быстрое вращение. Вращение приводит к ориентации механических моментов электронов в направлении оси вращения. Сопутствующая ориентация магнитных моментов проявляется в намагничении вещества.

Барнету удалось экспериментально измерить гиромагнитное отношение для электронов. Полученное значение соответствовало

, (19.23)

т.е. в два раза превысило ожидаемое. Впоследствии было установлено, что ферромагнитные свойства железа обусловлены не орбитальными магнитными моментами электронов, а так называемыми спиновыми магнитными моментами.

Каждый электрон наряду с зарядом и массой обладает собственным моментом импульса и соответствующим магнитным моментами, которые следует рассматривать как неотъемлемое свойство электрона (и многих других элементарных частиц). Эти моменты называют спиновыми вследствие того, что первоначально было предположение (ошибочное!), что они связаны с вращением электрона вокруг собственной оси.

Спин (механический момент) элементарных частиц оказался кратным величине постоянной Планка , которой считают естественной единицей момента импульса. У электронов спин . Говорят, что электрон принадлежит к числу частиц полуцелым спином. Подставив это значение в формулу (19.23), для спинового магнитного момента электрона найдем:

. (19.24)

Эту величину называют магнетоном Бора.