Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Все вещества состоят из определенных комбинаций элемен­ тарных частиц. Частицы трех типов, непосредственно относя­ щиеся к обсуждаемым явлениям,— это электроны, протоны и нейтроны. Нейтроны и протоны имеют одну и ту же массу, на­ много превышающую массу электрона; протон обладает элек­ трическим зарядом, который равен по абсолютной величине и противоположен по знаку заряду электрона; нейтрон не имеет электрического заряда. Частицы всех трех типов совершают спин — вращение относительно собственной оси.

В нашем рассмотрении используется термин магнетон для обозначения таких частиц атомных размеров, которые обладают как магнитным, так и механическим моментом из-за одновре­ менного вращения относительно собственной оси и электриче­ ского заряда и массы. Согласно этому определению электроны и протоны, обладающие спином, имеют свойства магнетона, тогда как нейтрон со спином этими свойствами не обладает — он не имеет электрического заряда и, следовательно, магнит­ ного момента (на самом деле нейтроны все же имеют неболь­ шой магнитный момент, который можно объяснить при помощи

и нейтронов, обобщенно называемых нуклонами. Если два ну­ клона соединены друг с другом, они образуют пару, в которой один имеет спин, направленный по часовой стрелке, а другой — спин, направленный против часовой стрелки. Эти противополож­ ные спины взаимно компенсируются в отношении механических моментов. Если же совокупность частиц не имеет механиче­ ского момента, то она не обладает свойствами магнетона. При объединении нейтронов и протонов в нуклоны результирующие ядра, которые содержат нечетное суммарное число нейтронов и протонов, действуют как магнетоны, а ядра, содержащие чет­ ное их число, свойствами магнетонов не обладают.

На рис. 2.5 показано тороидальное магнитное поле, по­ рождаемое множеством электрически заряженных частиц, ко­ торые описывают круговые траектории. На рис. 3.1 иллюстриру­ ется поле такой же конфигурации вокруг тела со спином, не­ сущего электрический заряд. В этом случае ось тороидального поля направлена по оси спина. Здесь показано магнитное поле, создаваемое магнетоном.

Магнетон принято изображать графически стрелкой, ори­ ентированной вдоль основного направления поля. На рис. 3.1 эта стрелка направлена вдоль оси вращения магнетона. Видя такую стрелку на какой-либо схеме, читатель должен представ­ лять себе все связанное с ней тороидальное магнитное поле.

Рис. 3.1. Магнетон — это заря­ женная частица, обладающая спином н создающая магнитное поле тороидальной формы

Если к. магнетону приложено внешнее магнитное поле, то под действием сил Лоренца не может произойти изменения круговой траектории, поскольку такой траектории здесь факти­ чески нет — радиус ее кривизны равен нулю, и она не подвер­ жена изменениям. Вместо этого магнетон реагирует на прило­ женное извне поле изменением направления своей оси. Это из­ менение ориентации находит отражение в соответствующем из­ менении направления стрелки — графического изображения магнетона.

Механический момент магнетона стремится удерживать лю­ бое заданное направление оси его спина, тогда как магнитный момент стремится совместить эту ось с направлением внешнего магнитного поля, в которое помещен магнетон. Поскольку эти силы действуют одновременно, магнетон совершает вращение относительно своей оси, направленной вдоль магнитного поля, которое получается в результате взаимодействия.

Электроны, протоны и некоторые ядра обладают свойствами магнетона. Магнитные проявления у электронных магнетонов выражены значительно сильнее, чем у магнетонов других типов, так как чрезвычайно малая масса электрона способствует очень большой скорости собственного вращения. Вследствие того что напряженность тороидального магнитного поля пропорцио­ нальна скорости вращения, электроны создают магнитные ми­ крополя, которые в 1000 раз сильнее полей протонов.

3.6.ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОРБИТАЛЬНУЮ ЭНЕРГИЮ

Вотдельном атоме водорода один электрон со спином не­ прерывно движется по орбите вокруг протона, также облада­ ющего спином. Для поддержания как спинового, так и орбиталь­ ного движения не затрачивается энергии.

Согласно законам квантовой механики электрон со спином может находиться на любой из нескольких дискретных орбит около протона со спином. Каждой такой орбите соответствует некоторый уровень потенциальной энергии, причем для двух со­ седних орбит существует определенная конечная разность энер­ гий. Эту величину иногда называют запрещенной энергетической зоной, или «энергетической щелью». При температуре абсолют­ ного нуля электрон со спином вращается вокруг протона со спином по орбите с минимально возможной энергией. В этих условиях атом не излучает никакой энергии.

При температурах выше абсолютного нуля электроны со спином перемещаются между допустимыми орбитами. При низких температурах эти перемещения происходят только меж­ ду орбитами с самыми низкими уровнями энергии. При более высоких температурах перемещения электронов охватывают большее число орбит. Каждый раз, когда совершается переход с одной орбиты на другую, атом либо испускает, либо погло­ щает импульс электромагнитной энергии. Такой процесс имеет частоту, зависящую от разности энергий для данных орбит. Для определения относительных энергий орбит можно восполь­ зоваться так называемыми спектральными сериями Пашена, Бальмера и Лаймана.

Если несколько независимых атомов водорода объединяются, образуя разреженный газ, то этот газ будет непрерывно ис­ пускать электромагнитную энергию на частотах, точно опреде­ ленных различными допустимыми уровнями энергии отдель­ ных атомов. Эти частоты идентифицируются как «линии» ре­ фракционного или дифракционного спектра излучаемой энергии.

и непрерывно изменяются. Поскольку в газообразном веществе отсутствуют силы, влияющие на ориентацию этих осей, отсут­ ствуют и затраты энергии. При определении энергии каждой орбиты нужно учитывать случайный характер ориентации спи­ нов.

При наличии внешнего магнитного поля некоторые элек­ троны и протоны изменяют направления спинов. Одни из них ориентируются в направлении поля, другие — в противоположном направлении, остальные продолжают свои случайные движения. Следовательно, в результате приложения внешних полей возни­ кают силы, влияющие на ориентации спинов, и для изменения ориентаций потребуется энергия.

Порождая силу, вызывающую поворот спина в направлении внешнего поля или в противоположном направлении, магнитное поле приводит к расщеплению элементарного приращения энер­ гии, соответствующего разности энергий двух орбит, на три раз­ личающихся приращения — исходное приращение, приращение

с несколько ббльшим значением и приращение с несколько мень­ шим значением энергии. При этих условиях энергия всей системы не обязательно изменяется, она просто перераспределяется.

Если внешнее магнитное поле имеет очень большую напря­ женность, то все спины, распределенные по направлению слу­ чайным образом перед приложением внешнего поля, теперь оказываются ориентированными в направлении поля или про­ тивоположно ему, при этом исключается исходное приращение энергии, соответствующее случайному распределению направ­ лений спинов. Спектральный анализ одноатомного газа водо­ рода дает в присутствии магнитного поля две спектральные линии вместо каждой отдельной линии, имеющейся в спектре, когда магнитное поле отсутствует.

У веществ с более сложными атомами, чем водородные, име­ ется большее число разрешенных орбит, и эта сложность атом­ ной структуры отражается в увеличении числа спектральных линий. При наличии внешнего магнитного поля опять же наблю­ дается расщепление спектральных линий на пары.

Расщепление спектральных линий на две и большее число составляющих под влиянием относительно слабых магнитных полей называется эффектом Зеемана. Если приложенное маг­ нитное поле имеет достаточно большую напряженность, чтобы вызвать орбитальные изменения наряду с изменением ориента­ ции спинов, то наблюдаются преобразования излучения, назы­ ваемые эффектом Пашена — Бака.

Упорядочение ориентаций магнетонов под воздействием внеш­ него магнитного поля создает когерентность по направлению в молекулярных структурах. В результате этого поляризованное излучение приводит к появлению смещенных спектральных линий Зеемана даже при отсутствии исходной линии.

Энергия взаимодействия любого вида между соседними ато­ мами оказывает влияние на распределение спектральных линий. При повышении давления одноатомного газа водорода торо­ идальное магнитное поле электрона со спином одного атома начинает испытывать влияние тороидальных полей электронов других атомов. В результате этого взаимодействия тороидаль­ ных полей происходит некоторое изменение уровней энергии орбит, причем исходные дискретные спектральные линии, со­ ответствующие условиям низкого давления, начинают расши­ ряться. Чем выше давление газа, тем сильнее расширяются линии спектра. Хотя приложенное внешнее магнитное поле по-прежнему приводит к расщеплению этих расширенных линий, различие между их расщеплением и расширением становится довольно нечетким.

По мере того как взаимодействие между атомами становится более сильным, увеличивается число спектральных линий, а сами линии еще больше расширяются. При переходе от отдельных

молекул к жидкостям, затем к стеклообразным веществам и к кристаллам этот процесс продолжается, и, наконец, в случае твердого тела спектральные линии отдельных атомов превра­ щаются в широкие спектральные полосы. При значительном расширении спектральных линий уже не удается наблюдать явления расщепления линий спектра под влиянием внешнего магнитного поля.

3.7. ПАРЫ ЧАСТИЦ СО СПИНОМ

При наблюдении из любого положения отдельные частицы вращаются вокруг собственной оси либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Между этими направлениями вра­ щения нет существенного различия, так как любая частица может изменить направление спина в результате «опрокидыва­ ния» своей оси.

Частицы со спином, электрически заряженные или не обла­ дающие зарядом, стремятся образовывать пары, в которых спин одной частицы ориентирован противоположно спину другой. Если две частицы, объединенные в такую пару, расположены доста­ точно близко одна от другой в пространстве, то влияние меха­ нических импульсов за счет спинов не обнаруживается на любом значительном расстоянии от пары. Поскольку частицы обладают свойствами магнетона только при наличии как механического, так и магнитного момента, для совокупности таких пар исклю­ чены любые магнитные эффекты, которые могли бы порождать­ ся упорядочением ориентаций магнитных полей магнетонов.

Одна из причин попарного объединения частиц связана с фундаментальным принципом — вещество стремится принимать форму, соответствующую минимальной энергии. Для поддер­ жания магнитного поля в пространстве затрачивается энергия, тогда как компенсация магнитных полей частиц при образова­ нии пар исключает потребность в этих затратах энергии.

Как говорилось выше, атомные ядра представляют собой более сложные частицы, состоящие из совокупностей протонов и нейтронов, которые обобщенно называются нуклонами. Число протонов, содержащихся в ядре, определяет тип атома, а число нуклонов — его атомную массу. Изотопы с атомами одного и того же типа различаются своими атомными массами. Они со­ держат одинаковые числа протонов, но разные числа нуклонов.

Нуклоны всегда расположены в непосредственной близости один от другого, что способствует их объединению в пары. По­ этому ядро может обладать свойствами магнетона только в слу­ чае, когда оно содержит нечетное число нуклонов. Поскольку изотопы различных атомов содержат разные числа нуклонов, по крайней мере один изотоп атома каждого типа обладает магнитными свойствами и по крайней мере один изотоп ими не