19. Магнитные свойства веществ

19.1. Гипотеза Ампера

при рассмотрении магнитных свойств веществ обычно вместо такого понятия, как "вещество" употребляют термин "магнетик", чтобы подчеркнуть способность любого вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле. Явление намагниченности состоит в возникновении внутри магнетика собственного магнитного поля при помещении его во внешнее магнитное поле.

Для объяснения этого явления Ампер выдвинул гипотезу о существовании внутри вещества микроскопических (атомных, молекулярных) токов. Каждый из таких токов создает в некоторой точке внутри магнетика магнитное поле магнитное поле с индукцией . Суммарное магнитное поле рассматриваемой точке согласно принципу суперпозиции равно векторной сумме, т.е. . В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты частиц (атомов, молекул) ориентированы хаотически, поэтому векторная сумма . При наложении поля возникает преимущественная ориентация магнитных моментов в направлении поля, поэтому , т.е. вещество намагничивается.

После создания планетарной модели атома Бора-Резерфорда микроскопические круговые токи стали связывать с вращающимися по орбитам электронами, что позволило количественно описать магнитные свойства веществ.

19.2. Магнитные моменты атомов

Вращающийся по круговой орбите электрон может быть описан как виток с током, магнитный момент которого определяется формулой (17.22).

Сила тока, обусловленная вращением электрона по орбите с частотой , может быть представлена в виде , где e — заряд электрона.

Тогда орбитальный магнитный момент электрона

.

Момент импульса вращающегося электрона (или орбитальный механический момент)

.

Тогда отношение магнитного момента электрона к его орбитальному механическому моменту (гиромагнитное отношение)

.

(19.1)

Рис. 19.1

Знак "-" указывает, что векторы и направлены в противоположные стороны (рис. 19.1).

Поскольку атомы (молекулы) содержат не один электрон, а большее их число, то орбитальный магнитный момент атома находится как векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех его электронов.

Экспериментально существование магнитных моментов у атомов было впервые установлено в магнитно-механическом опыте Эйнштейна и де Гааза (1915 г.).

В отсутствии магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов ориентированы хаотически и, следовательно, хаотически ориентированы и орбитальные механические моменты электронов. При наложении магнитного поля магнитные моменты атомов ориентируются параллельно внешнему полю, а их орбитальные механические моменты — в противоположном направлении. В результате суммарный механический момент атомов образца становится отличным от нуля. Тогда согласно закону сохранения момента импульса (см. §  3), сам образец начнет вращаться в таком направлении, чтобы скомпенсировать отличный от нуля механический момент атомов. Эффект чрезвычайно мал, однако, используя явление механического резонанса, Эйнштейн и де Гааз смогли измерить гиромагнитное отношение.

Рис. 19.2

Более точно измерить гиромагнитное отношение можно, используя явление электронного парамагнитного резонанса, открытого в 1943 г. Е.К. Завойским. Это явление состоит в следующем. Поместим образец в постоянное магнитное поле (B=const), в результате чего происходит его намагничивание, т.е. магнитные поля атомов ориентируются вдоль поля. Точнее, такая ориентация представляет собой прецессионное вращение магнитных моментов атомов вокруг направления вектора магнитной индукции (рис. 19.2). Угловая скорость прецессии (см. прил. 4)

.

(19.2)

Далее на образец направляют высокочастотное электромагнитное излучение, частоты которого изменяют. Когда частота излучения становится равной частоте прецессии (19.2), происходит резонансное поглощение излучения, что и фиксируется.

На основании этих и других опытов было установлено, что электрон помимо орбитального магнитного момента обладает также собственным магнитным моментом или спином. Таким образом, магнитный момент атома — это векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов всех его электронов:

.

или

.

(19.3)

Орбитальный и спиновый магнитные моменты, вообще-то вносят разный вклад в общий магнитный момент атома. В зависимости от соотношения этих моментов все вещества можно разбить на два класса слабо и сильно магнитные (рис. 19.3).

Рис. 19.3

У атомов слабо магнитных веществ спиновые моменты электронов скомпенсированы, т.е. . Магнитные свойства таких веществ определяются значением орбитального магнитного момента атомов, при этом для диамагнетиков , а для парамагнетиков .

Магнитные свойства сильно магнитных веществ (ферромагнетики и др.) определяется прежде всего, спиновыми магнитными моментами атомов ( ) орбитальные магнитные моменты атомов не оказывают существенного влияния на магнитные свойства этих веществ.