7. Магнитный момент

Во внешнем магнитном поле на частицу с зарядом q действует сила Лоренца, которая определяется формулой

. (2.21)

Из формулы (2.21) видно, что взаимодействие субатомной частицы с электромагнитным полем определяется её полным зарядом. К сожалению, полный заряд частицы в силу его квантованности даёт мало информации об её структуре. О последней можно судить по другим электромагнитным свойствам частицы и, в частности, по магнитному дипольному моменту.

Если электрический заряд размазан по частице, то он будет вращаться вместе с частицей, что приведёт к возникновению круговых токов, создающих магнитный дипольный момент . Согласно классической электродинамике, замкнутый ток имеет следующую энергию взаимодействия:

, (2.22)

где -вектор магнитного дипольного момента. Величина его вычисляется по формуле =1/с(токплощадь). Направление вектора перпендикулярно плоскости кругового тока. Связь между магнитным моментом и моментом количества движения можно установить, рассмотрев частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью v по круговой орбите радиуса r. Частица обращается v/(2 r) раз в 1 сек, т.е. даёт ток qv/(2 r). Из определения =1/с(токплощадь) следует, что

. (2.23)

Результат этот страдает двумя недостатками. Он выведен на основе классической механики и электродинамики и представления о точечной частице, движущейся по круговой орбите. Вместе с тем в формуле (2.23) находят отражение два замечательных факта:

а) вектор  направлен по вектору орбитального момента количества движения L,

б) отношение /L равно отношению q/2mc.

Таким образом,  и J связаны соотношением = constJ.

В соответствии с (2.23) коэффициент пропорциональности должен иметь размерность e/mc, и поэтому его удобно записать в виде g(e/2mc). Новая постоянная g является безразмерной; она характеризует величину отклонения значения реального магнитного момента от классического значения e/2mc. Теперь соотношение между  и J приобретает вид

. (2.24)

Помня, что , формулу (2.24) можно переписать в виде

. (2.25)

Постоянная ₀ называется магнетон, она представляет собой единицу измерения магнитных моментов субатомных частиц. Значение магнетона определяется массой частицы, используемой для его определения. В атомной физике, которая занимается решением задач, связанных с движением электронов, в выражении (2.25) используют массу электрона, и соответствующая единица магнитного момента называется магнетон Бора (_В):

. (2.26)

В субатомной физике магнитные моменты частиц выражаются в ядерных магнетонах. Ядерный магнетон получается из (2.26), если подставить вместо массы электрона массу протона.

. (2.27)

Таким образом, ядерный магнетон почти в 2000 раз меньше магнетона Бора.

В значении g-фактора заключена информация о структуре частицы. Для весьма многих состояний атомных ядер и для небольшого числа элементарных частиц g-факторы измерены. Объяснение экспериментально наблюдаемых значений g-факторов является важным делом теории.

Лекция 3. Свойства атомных ядер.