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.
Индуцированный магнитный момент
Чтобы
понять природу возникновения
намагниченности в диамагнетиках и факт
и противоположность направлений внешнего
поля
и вектора намагниченности
,
рассмотрим поведение электрона,
движущегося по орбите вокруг ядра атома,
во внешнем поле. Очевидно, что движение
электрона оказывается существенно
иным, поскольку на него действует сила
Лоренца. Однако удобней рассматривать
электрон на орбите как замкнутый ток с
магнитным моментом
,
который образует с индукцией угол
.
На магнитный момент действует вращательный
момент
.
За время
действие этого момента сил дает приращение
момента импульса
,
модуль которого
. (19.25)
В
результате плоскость, проходящая через
и
,
поворачивается за время
на угол
.
Электронная
орбита,
как волчок, совершает
прецессию вокруг направления вектора
индукции.
Из геометрических соображений можно
найти:
.
(19.26)
Отсюда следует, что угловая скорость прецессии
.
(19.27)
Прецессию электронных орбит во внешнем поле называют ларморовой прецессией. Необходимо обратить внимание, что угловая скорость ларморовой прецессии направлена в противоположную сторону угловой скорости движения электрона по орбите. Поэтому магнитный момент дополнительного тока, обусловленного прецессионным движением, направлен навстречу внешнему магнитному полю. Этот магнитный момент называется индуцированным.