2. Гіромагнітні ефекти

Гіромагнітними ефектами або магнітомеханічними явищами називається група явищ, обумовлена взаємним зв'язком магнітного моменту мікрочастинки з її власним кутовим (механічним) моментом кількості руху. Вони характеризуються магнітомеханічним відношенням або гіромагнітним фактором (множником Ланде) - відношенням магнітного моменту мікрочастинки до її кутового моменту кількості руху.

. (16.29)

З електродинаміки відомо, що дія сили Лоренца на магнітний момент створює момент сил . Під дією моменту сил починається ларморівська прецесія механічного моменту навколо вектора (рис.16.3). При цьому швидкість зміни механічного моменту врівноважується моментом діючих сил

. (16.30)

Підставимо в (16.30) вираз (16.29) для , тоді одержимо

, (16.31)

де . (16.32)

Якщо порівняти рівняння (16.31) з рівнянням руху твердого тіла навколо нерухомої осі, то видно, що відбувається прецесія навколо вектора із кутовою частотою .⁴ Коли кутовий момент - це лише орбітальний момент електрона, то і прецесія відбувається з частотою Лармора.

Рис.16.3. Ларморівська прецесія кутового моменту у магнітному полі .

, (16.32*)

де - у гаусах, а .

Досліди Ейнштейна і де-Гааза (рис.16.4) з перемагнічування нікелевої стрічки показали, що експериментальне значення відношення магнітного моменту до кутового моменту кількості руху в 2 рази більше за розрахункове для орбітального моменту, або вдвічі більше ніж для замкненого контуру зі струмом

Рис.16.4. Схема досліду Ейнштейна і де Гааза.

Це означає, що - гіромагнітний фактор цієї системи рівний 2. Аналогічний результат був також отриманий у дослідах Барнета, який досліджував намагнічування сталевої спиці при її обертанні навколо повздовжньої осі в просторі без магнітного поля. У цих дослідах виявилось, що . Результати дослідів Ейнштейна і де-Гааза і дослідів Барнета суперечили уявленням класичної фізики. Проте, якщо допустити, що в нікелі є не скомпенсований спін, то квантові числа цих електронів із некомпенсованим спіном будуть рівними і . У цьому разі, як видно з формули (16.23), . Таким чином, результати дослідів Ейнштейна і де-Гааза і дослідів Барнета узгоджуються з розрахунками гіромагнітного фактора (множника Ланде) для електрона.

2. Досліди Штерна й Герлаха

Нобелівський лауреат німецький фізик експериментатор Отто Штерн та Вальтер Герлах в 1922 році вперше виміряли магнітний момент атомів срібла, валентний електрон яких знаходиться в стані .

В їхньому досліді потік нейтральних атомів срібла протікав зі сталою швидкістю крізь сильно неоднорідне магнітне поле. Швидкість атомів срібла визначалась температурою джерела Т . Уздовж осі , перпендикулярної до напрямку швидкості атомів срібла створювалось неоднорідне магнітне поле з великим градієнтом ( ).

Рис. 16.5. Схема приладу Штерна і Герлаха: 1 – джерело атомів Аg, 2 – неоднорідне магнітне поле, 3 – детектор атомів Аg (скляна пластинка).

Схема приладу наведена на схематичному рис.16.5. Він складався із трьох частин, які знаходились у вакуумній камері: 1 - джерела атомів срібла (атомної гармати), 2 - камери взаємодії магнітного моменту атомів срібла із градієнтом магнітного поля й 3 - детектора атомів срібла - скляної пластинки, на якій срібло залишало непрозорий слід. Атомна гармата – джерело Кнудсена – це термічне джерело атомів. Через малий отвір атоми срібла направленим потоком виходили у вакуум, і розповсюджувались зі сталою швидкістю вздовж осі , де – температура джерела Кнудсена. У камері взаємодії 2 утворювалось неоднорідне магнітне поле з великим градієнтом за допомогою полюсних наконечників, профіль яких наведений на рис.16.6.

Рис. 16.6. Прилад з полюсними наконечниками спеціальної форми та зображення розподілу атомів Ag на скляній пластині - детекторі.

Кожний атом срібла має кутовий момент кількості руху і не рівний нулеві магнітний момент . Магнітне поле, по-перше, орієнтує магнітний момент, а, по-друге, створює пондеромоторну силу прямо пропорційну градієнту магнітного поля. Вона направлена вздовж осі і рівна по модулю

(16.33)

Під дією цієї сили потік атомів срібла відхиляються на стільки різних дискретних значень кутів, скільки може бути значень у квантового число , тобто розділиться на складових. Наприклад, для атомів срібла, валентний електрон яких знаходиться в стані , ; стани; ; , тому . На екрані з’явиться дві плями від атомів срібла, що осідають на скляній пластинці - детекторові атомів : одна ліворуч, тобто при , а друга - праворуч, тобто при . Величину відхилення вздовж осі z можна знайти, розв’язуючи рівняння руху атомів срібла під дією сталої сили, направленої перпендикулярно швидкості руху атомів.

Дійсно (16.34)

Знаючи L, T і , масу атома срібла і вимірявши , можна знайти