Гиромагнитные эффекты. Соотношение между механическими и магнитными моментами атомов и электронов

Как уже обсуждалось, в классической физике, магнитные свойства вещества, в основном, объясняются на основе представлений о молекулярных токах, обусловленных орбитальным движением электронов. Рассмотрим орбитальное движение электрона не только как элементарный ток, но и как вращение частицы вокруг некоторой оси. Исходя из первого представления, вводится орбитальный магнитный момент , модуль которого равен , где - сила тока, - частота вращения электрона, S – площадь его орбиты. С другой стороны, движущийся по орбите электрон имеет орбитальный механический момент , который, в соответствии, с оговоренными правилами противоположен магнитному моменту по направлению (рис.175).

Отношение величин этих орбитальных моментов называется магнитомеханическим или гиромагнитным отношением: (Кл/кг)

Гиромагнитное отношение не зависит от скорости электрона и радиуса его орбиты, т.е. справедливо для любых орбит, в том числе, и для эллиптических.

РИС.175 РИС.177

Связь магнитного и механического моментов позволяет проверить гипотезу молекулярных токов экспериментально.

Действительно, при помещении магнетика в магнитное поле, магнитные моменты атомов должны ориентироваться вдоль линий магнитной индукции, а механические моменты атомов, соответственно, будут ориентированы в противоположном направлении. Следовательно, в магнитном поле тело приобретает механический момент, и наоборот, - если привести тело во вращение, то оно должно намагничиваться.

Позднее было установлено, что для электрона характерно наличие собственного механического момента (спина) и собственного магнитного (спинового) моментов. Причем гиромагнитное отношение для этих моментов как раз в два раза больше, чем гиромагнитное отношение, полученное теоретически. Таким образом, магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены не орбитальным движением электронов, а собственными магнитными моментами электронов.

Для других веществ гиромагнитные отношения имеют промежуточные значения в зависимости от того, в какой пропорции и как в полных магнитных моментах атомов присутствуют вклады от орбитального движения электронов и их спинов.

Кроме того, необходимо отметить, что под магнитным моментом атома понимается не истинный магнитный момент атома, а его проекция на направление полного механического момента, так как, в общем случае, полный магнитный момент атома не коллинеарен его механическому моменту, а составляет с ним некоторый угол (рис.177). Это объясняется тем, полный магнитный момент – векторная сумма орбитальных и спиновых моментов, аналогично и для полного механического момента, но коэффициенты пропорциональности для моментов орбитального движения и спиновых различны.

В рамках моделей классической физике не возможно обосновать существование атомов с нулевым магнитным моментом. С точки зрения квантовой физики не существует орбит, по которым движутся электроны, определяется лишь вероятность некоторого распределения электронов в атоме. Следовательно, возможно состояние со сферически симметричным распределением вероятности нахождения электрона, при котором его орбитальные механический и магнитный моменты равны нулю.