Орбитальные и спиновые магнитные моменты электрона

Для характеристики магнитного поля электрона, движущегося по замкнутой орбите, вводят понятие орбитального магнитного момента Р₀. Это векторная величина, измеряемая произведением элементарного тока I на величину обтекаемой им площади S (Р₀=SI). Направление орбитального магнитного момента Р₀ определяется правилом буравчика.

Электрон, движущийся по орбите, обладает также и механическим моментом импульса L₀.

Движущаяся со скоростью v материальная точка массы m обладает импульсом Р=mvr. Величина этого вектора L, а направление его определяется правилом буравчика.

Электрон кроме орбитального магнитного момента обладает и орбитальным механическим моментом, при этом Р₀ и L₀ направлены в противоположные стороны.

Величину Г_орб, равную отношению Р₀ к L₀, называют гиромагнитным отношением. Для электрона, обращающегося по орбите вокруг ядра, Г_орб=е/2m, где е - заряд электрона, а m - его масса.

В настоящее время доказано, что электрон, помимо орбитальных магнитных и механических моментов, обладает ещё и собственными магнитными и механическими моментами, получившими название спиновых моментов Р_спин и L _спин.

Первоначально спиновые моменты связывали с вращением электрона вокруг своей оси. Благодаря этому и возник термин «спин». Но оказалось, что такое представление неправомерно. Величина спинового магнитного момента Р_спин, рассчитанная по значению заряда электрона и скорости его предполагаемого вращения, не совпадает со значением Р_спин, полученным экспериментально. Законы движения электронов более сложны и не могут быть описаны на основе классических представлений.

Электрон обладает рядом свойств, которые характеризуются не только его зарядом и массой, но также спиновым магнитным моментом и собственным механическим моментом; Р_спин и L _спин  электрона такие же неотъемлемые характеристики электрона, как его заряд е и масса m.

Р_спин и L_спин  характеризуются спиновым гиромагнитным отношением: Г_спин= Р_спин/ L_спин=е/m, т.е. Г_спин=2Г_орб.

Собственным магнитным моментом обладают также протоны и нейтроны. Но их собственные магнитные моменты на три порядка меньше спинового магнитного момента электрона. Естественно, в первом приближении можно пренебречь магнитными моментами протонов и нейтронов, т.е. магнитным моментом ядра. В электронной теории магнетизма считают, что магнитные свойства атома целиком определяются электронами.

Полный магнитный момент атома Р_ат представляет собой геометрическую сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, принадлежащих данному атому. Если в атоме Z электронов, то Р_ат=∑^z₁P₀+∑^z₁Р_спин.

В случае твёрдых тел результаты этого сложения зависят т взаимодействия частиц в твёрдом теле. Разные вещества обладают различными магнитными свойствами.

6.3 Классификация тел по магнитным свойствам

Cамое простое деление тел по магнитным свойствам сводится к выделению слабомагнитных и сильномагнитных тел. известно также деление веществ по магнитным свойствам на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Впервые деление веществ по магнитным свойствам предложил уже более ста лет назад М.Фарадей. Он помещал образцы различных веществ в неоднородное магнитное поле и обнаружил, что часть из них втягивается из области с малой индукцией в область большей индукции и устанавливается вдоль линии индукции поля, а часть выталкивается из области магнитного поля с большим значением индукции, устанавливаясь поперёк линии индукции. первую группу он назвал парамагнетикой(вдоль), вторую- диамагнетикой(поперёк).

Среди парамагнетиков бала обнаружена группа веществ, обладающая особо сильными свойствами, как бы сверхпарамагнетики. К ним в первую очередь относятся железо, никель и кобальт. впоследствии их выделили в особый класс ферромагнитных веществ.

Все эти вещества характеризуются различной магнитной проницаемостью μ: для диамагнетиков μ<1, для парамагнетиков μ>1, но и в том и в другом случае μ лишь незначительно отличаются от единицы. для ферромагнетиков μ>>1. Но не только в этом отличие ферромагнитных свойств.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков μ не является постоянной величиной, а зависит от индукции внешнего поля В₀. Характер данной зависимости приведён на рисунке 45в.

                                                                  рис.45в

Ферромагнетики обладают остаточным магнетизмом, т.е. могут сохранять намагниченность и при отсутствии внешнего намагничивающего поля.

Для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис - явление, возникающее при перемагничивании ферромагнитного образца. Сущность магнитного гистерезиса состоит в том, что изменение намагничивание образца I отстаёт от изменений индукции магнитного поля    В₀. При этом I=В-В₀=(μ-1)В₀.  при некоторой температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства и превращается в обычный парамагнетик.