Элементарные носители магнетизма

Наблюдения за магнитными действиями тока привели еще в первой половине прошлого века французского физика Ампера к мысли о том, что особого магнитного поля, необусловленного электрическими токами, вообще не существует. Согласно гипотезе Ампера, магнитные свойства вещества o обусловлены особыми, текущими внутри молекул вещества молекулярными токами. Эти замкнутые молекулярные токи представляют собой, по мысли Ампера, своеобразные элементарные магнитики.

До тех пор пока наши сведения о строении атомов не стали достаточно полными, гипотеза Ампера не имела . под собой твердой опоры. Когда же было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов, то естественно было -, предположить, что движущиеся вокруг ядра электроны и ; представляют собой те самые элементарные токи, которые и являются элементарными носителями магнетизма. Вращающийся по орбите вокруг ядра электрон обладает некоторым магнитным моментом и представляет собой элементарный магнитик.

Как показывают расчеты, величина магнитного момента, обусловленного движением электрона по орбите, она кратна некоторой величине, носящей название магнетона Бора. Магнетон Бора µ0 есть наименьшее значение магнитного момента, которое может иметь электрон

µ0 = h/4pi*e/m (6)
Где h-постоянная Планка, равная 6,625.10^-27 эрг сек, е – заряд электрона, m – его масса. Таким образом, орбитальный магнитный момент электрона равен целому числу магнетонов Бора

µ = nµ0 (7)
Где n-целое число (1,2,3, ит.д.)

Двигаясь по орбите вокруг ядра, электрон обладает также орбитальным механическим моментом К, кратным h/2?, т.е орбитальный механический момент К равен

K = n h/2pi (8)
где п = 1, 2, 3 и т. д.
Таким образом, отношение магнитного орбитального момента к механическому орбитальному моменту равно

µ/K=e/2mc (9)
Помимо движения вокруг ядра по орбите электрон вращается еще вокруг собственной оси. Такое вращение приводит также к образованию магнитного момента (рис. 12). Этот магнитный момент, вызванный вращением электрона вокруг своей оси, носит название спинового магнитного момента (от английского to spin – вращаться). Величина спинового магнитного момента, или просто спина, равна в точности магнетону Бора, а величина спинового механического момента равна 1/2 x h/29i.

В сравнении с магнитными моментами практически используемых магнитов магнетон Бора µ0 – величина очень маленькая, равная 0,927-10-20 абсолютных электромагнитных единиц. Атомы различных веществ имеют разное количество электронов. У изолированного атома в нормальном состоянии число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно его порядковому номеру в периодической системе элементов Менделеева. Так, у атома водорода вокруг ядра вращается один электрон, у атома гелия – два, у натрия, стоящего в периодической системе под номером 11, вокруг ядра вращаются одиннадцать электронов.

Ядро атома тоже представляет собой сложную систему, состоящую из частиц двух типов: протонов и нейтронов. Протон – положительно заряженная частица с массой, превышающей массу электрона в 1836,5 раз. Протон, так же как и электрон, обладает некоторым магнитным моментом, т. е. представляет собой маленький магнитик. Магнитный момент протона меньше, чем магнитный момент электрона в 658 раз, а магнитный момент нейтрона – в 960 раз.

Атом в целом представляет сложную магнитную систему. В самом деле, ядро атома состоит из протонов и нейтронов, каждый из которых обладает магнитным моментом, причем эти моменты могут быть ориентированы различно; вокруг ядра атома вращаются электроны, каждый из которых обладает как орбитальным, так и спиновым магнитными моментами.

Магнитный момент атома будет суммой этих моментов, причем сумма эта будет не арифметическая, а более сложная, учитывающая не только численные значения магнитных моментов отдельных частиц, но и их направления, Магнитные моменты протонов и нейтронов значительно меньше магнитных моментов электронов, поэтому можно считать, что магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами его электронной оболочки.

Так обстоит дело в случае изолированного атома. В случае же твердого тела, представляющего собой коллектив огромного количества атомов, магнитный момент каждого из них определяется не только частицами, принадлежащими данному атому, но и их взаимодействием с частицами соседних атомов.

Из изложенного также следует, что атомов, на которые бы не действовало магнитное поле, не существует. Все атомы в той или иной степени подвергаются действию магнитного поля, т. е. все они в той или иной степени магниты. Следовательно, немагнитных веществ также не существует; все тела в той или иной степени магнитны, поскольку магнитны атомы, из которых они состоят. По магнитным свойствам все тела можно отнести к одному из пяти видов: диамагнетикам, парамагнетикам, ферромагнетикам, антиферромагнетикам и ферримагнетикам.

Явление диамагнетизма заключается в том, что в веществе, помещенном в магнитное поле, возникает дополнительный магнитный момент, направленный противоположно полю. Тело намагничивается не по полю, а против поля. Стерженек диамагнитного вещества устанавливается не вдоль силовых линий магнитного поля, а перпендикулярно к ним (рис. 13).

Это явление – есть следствие электромагнитной индукции, открытой английским физиком Фарадеем в 1831 г. По закону электромагнитной индукции, всякий раз, когда изменяется магнитное поле, пронизывающее замкнутый проводник, в последнем возникают индукционные электрические токи.

Петербургский академик Ленц, анализируя различные случаи возникновения индукционных токов, сформулировал правило, .согласно, которому индукционные токи, всегда имеют такое направление, что противодействуют вызвавшей их причине. Например, если к катушке приближать сверху постоянный магнит северным его полюсом, то в катушке возникнут индукционные токи такого направления, что появляется сила F, противодействующая приближению этого полюса, т. е. на верхнем конце катушки возникает ток, образующий северный магнитный полюс (рис. 14). Наоборот, если удалять этот магнит, то образуется южный полюс и возникают силы притяжения, противодействующие удалению магнита (рис. 15). Индукционные токи практически будут течь только во время движения магнита. При остановке магнита вследствие сопротивления в катушке ток прекратится. Если бы сопротивление катушки было равно нулю, то индукционный ток, раз возникнув, продолжался бы весьма длительное время (теоретически – вечно).

Такой вывод подтверждается непосредственными опытами с сверхпроводниками. Охладить до очень низких температур проводники можно, поместив их в сосуд с жидким гелием. Если вблизи сосуда с жидким гелием, в котором находится сверхпроводящая катушка, поместить магнит, то при удалении последнего в катушке возникнут индукционные токи, которые могут течь весьма длительное время, измеряемое годами. Если бы сопротивление было строго равно нулю, то индукционный ток шел бы по такой катушке вечно.

Электроны, вращающиеся вокруг ядра, представляют своеобразные замкнутые токи. Если изменять в пространстве, где расположен атом, магнитное поле, то внутри атома возникают индукционные токи, направление которых, согласно правилу Ленца, должно быть таким, чтобы противодействовать вызвавшей их причине. При наложении на атом возрастающего поля в некотором направлении индукционные токи, возникающие в атоме, будут ослаблять его и в атоме появится добавочный магнитный момент, направленный против поля. Вещество при этом будет намагничиваться против поля, возникает явление диамагнетизма.

Каким образом внутри атома возникают индукционные токи, вызывающие дополнительный магнитный момент в веществе, всегда направленный против поля? Чтобы ответить на этот вопрос, отвлечемся на некоторое время от физики магнетизма и вспомним, как ведет себя волчок, известный каждому с детства. Запущенный волчок, если ось его не строго вертикальна, помимо быстрого вращения вокруг своей оси, совершает еще дополнительное вращательное движение, называемое прецессией. Прецессия – это медленное по сравнению с осевой скоростью волчка вращение его оси около вертикали. Заметим, что направление вертикали совпадает с направлением силы тяжести (рис. 16).

Электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить в виде своеобразного волчка, который, двигаясь по орбите, образует замкнутый ток и обладает определенным магнитным моментом. В магнитном поле возникнут силы, стремящиеся ориентировать плоскость электронной орбиты перпендикулярно полю, что, как и в случае волчка, приведет к прецессии. Электронная орбита будет прецессировать около направления поля, подобно тому как ось волчка прецессирует около вертикали с угловой частотой:

wl = e/2mc x H (10)
Эта формула впервые была получена Лармором и частота wl, носит название частоты Ларморовской прецессии.

Прецессия электронной орбиты эквивалентна некоторому дополнительному вращению электрона, которое вследствие наличия у него электрического заряда дает дополнительный магнитный момент. Этот дополнительный магнитный момент, как показывает теория, ориентирован всегда против поля (рис. 17).

Таким образом, явление диамагнетизма вызывается прецессией электронных орбит при наложении магнитного поля. Поскольку электронные орбиты имеются в атоме любого вещества, то диамагнетизм присущ всем без исключения веществам, хотя проявляется он далеко не у всех веществ, так как часто перекрывается более сильным парамагнетизмом. Диамагнетизм проявляется только тогда, когда магнитные моменты всех электронных орбит и всех спинов взаимно скомпенсированы.

На рис. 18 приведена схема атома гелия. Вокруг ядра атома гелия вращается два электрона, но вращение их таково, что магнитные моменты как орбитальные, так и спиновые взаимно скомпенсированы. Поэтому общий магнитный момент атома гелия равен нулю. Такой атом в магнитном поле не будет вести себя подобно магнитной стрелке, однако орбита каждого электрона в атоме будет прецессировать так, что возникнет добавочный магнитный момент, направленный против поля.

Силы, действующие на диамагнитные вещества в магнитном поле, очень слабы, благодаря чему явление диамагнетизма долгое время оставалось не замеченным и было открыто Фарадеем лишь в 1845 г. Он же ввел в физику термин «диамагнетизм». Теорию диамагнетизма впервые разработал известный французский физик Ланжевен в 1905 г. Поскольку диамагнетики намагничиваются против поля, их намагниченность отрицательна. Отношение намагниченности к напряженности магнитного поля называется магнитной восприимчивостью.

Если намагниченность обозначить через J, а напряженность поля через Я, то магнитная восприимчивость

Таблица 1. Магнитная восприимчивость инертных газов.

Элемент	Магнитная воспрнимчивость
Гелий	-1,90*10^-6
Неон	-7,20*10^-6
Аргон	-19,40*10^-6
Криптон	-28,00*10^-6
Ксенон	-43,00*10^-6

Поскольку намагниченность диамагнетиков отрицательна, то и их восприимчивость отрицательна, а так как диамагнитный эффект вообще слаб, то величина магнитной восприимчивости диамагнетиков отрицательна и крайне мала.

Диамагнетиками являются, например, все инертные газы. Величина диамагнитной восприимчивости растет с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Это можно объяснить тем, что чем выше порядковый номер элемента, тем больше в атоме электронов и, следовательно, большее число электронных орбит будет прецессировать вокруг направления поля, создавая отрицательную намагниченность. В табл. 1 приводятся данные об атомной магнитной восприимчивости (на грамм-атом) инертных газов.

Кроме инертных газов существует много других диамагнитных веществ. В частности, диамагнитными свойствами обладает ряд металлов: медь, серебро, золото, бериллий, цинк, кадмий, ртуть, бор, галлий, свинец, сурьма, висмут и некоторые другие. Диамагнитна вода, а также многие органические соединения.