18. Опыты Барнета, Штерна и Герлаха.

Опыт Штерна — Герлаха — опыт, осуществлѐнный в 1922 году немецкими физиками Отто Штерном и Вальтером Герлахом. Опыт подтвердил квантование проекции вектора магнитного момента атомов, а также стал одним из главных аргументов в пользу существования у электронов собственного магнитного момента и связанного с ним момента импульса — спина.

Изначально эксперимент проводился с атомами серебра, но позднее аналогичные результаты были получены и для атомов других металлов, а также для пучков протонов и электронов. Эти опыты доказали существование магнитного момента у рассмотренных частиц и показали их квантовую природу, явив собой доказательство постулатов квантовой теории.

Опыт состоял в следующем: пучок атомов серебра пропускали через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом. При прохождении атомов через это поле, в силу наличия у них магнитных моментов, на них действовала зависящая от проекции спина на направление магнитного поля сила, отклонявшая летящие между магнитами атомы от их первоначального направления движения. Причѐм, если предположить, что магнитные моменты атомов ориентированы хаотично (непрерывно), то тогда на расположенной далее по направлению движения атомов пластинке должна была проявиться размытая полоса. Однако вместо этого на пластинке образовались две достаточно чѐткие узкие полосы, что свидетельствовало в пользу того, что магнитные моменты атомов вдоль выделенного направления принимали лишь два определѐнных значения, что подтверждало предположение квантово-механической теории о квантовании магнитного момента атомов.

Опыт Барнетта

Эффект Барнетта заключается в намагничивании тел путем их вращения при отсутствии внешнего магнитного поля.

Открыт Сэмюэлем Барнеттом в 1909 году.

Эффект показывает связь атомных магнитных моментов с механическими моментами. Эффект обратен эффекту Эйнштейна — де Хааза.

Википедия:

Эффект Эйнштейна — де Хааза (эффект Эйнштейна — де Гааза, эффект Эйнштейна — де Хааза

— Ричардсона) — один из магнитомеханических эффектов, состоит в том, что тело

(ферромагнетик) при намагничивании вдоль некоторой оси приобретает относительно неѐ вращательный импульс, пропорциональный приобретѐнной намагниченности.

Это явление было предсказано в 1908 году О. Ричардсоном, открыто и теоретически объяснено в 1915 году Эйнштейном и нидерландским физиком В. де Хаазом.

Эффект обратен эффекту Барнетта.

Как и эффект Барнетта, он демонстрирует наличие связи между собственным механическим и магнитным моментами микрочастиц (в частности, атомов). Эффект реализуется в ферромагнетиках.

Во вращающемся с постоянной угловой скоростью вокруг неизменной оси z образце (рис. 1) элементарные магнитики его материала представляют собой своеобразные гироскопы, обладающие механическим моментом количества движения и магнитным моментом.

Геометрия наблюдения эффекта Барнета.

Вращающийся цилиндр сделан из ферромагнетика.

Вращение гироскопов с постоянной угловой скоростью Wz вокруг неизменной оси z эквивалентно процессу вращения гироскопов вокруг этой оси под действием некоторой ”опрокидывающей” пары сил, стремящейся поставить ось каждого гироскопа параллельно оси z.

В то же время вращение всех гироскопов с постоянной угловой скоростью вокруг неизменной оси z эквивалентно воздействию на эти магнетики поля Hef, направленного вдоль оси z, т.к. подобное поле вызовет, согласно теореме Лармора, прецессию гироскопических магнетиков с угловой скоростью Wz= gHef.

Наличие же эффективного поля Hef должно проявиться не только в прецессии магнетиков, но и в возникновении намагниченности образца вдоль оси z.

Из опытов по исследованию эффекта определено гиромагнитное отношение:

g = М / q = ge /(2mc),

где М - магнитный момент частицы вещества; q - момент количества движения частицы;

е и т - заряд и масса электрона; с - скорость света; g - магнитно-механический фактор.

Эффект возможен при температуре ниже точки Кюри.

Физический эффект проявляется на телах удлиненной геометрической формы.

Результат воздействия проявляется в объеме ферромагнитного тела. Результирующая магнитного поля направлена вдоль оси вращения.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -11 до -9);

Время существования (log tc от -9 до 15); Время деградации (log td от -11 до -9); Время оптимального проявления (log tk от 0 до 6).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация в соответствии с рис. 2.

Возникающее магнитное поле, порождаемое намагниченностью, измеряется стандартным магнитометром.

Применение эффекта

Физический эффект применяется для исследования природы и строения ферромагнитных веществ. Он позволил установить, что в некоторых ферромагнитных металлах (Fe, Co, Ni, Cd) элементарными магнетиками являются спиновые магнитные моменты электронов, тогда как в других ферромагнитных телах и парамагнетиках - спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов.