Магнитомеханикалық құбылыстар

Атомдар мен молекулалардың магнит моменттері

Молекулалық токтар жайындағы Ампер гипотезасы магнетиктердегі көптеген құбылыстарды түсіндіретінін біз VII тарауда байқадық. Резерфорд, барлық заттардың атомдары оң зарядталған ядродан және оны айнала қозғалған теріс зарядталған электроннан тұратынын тәжірибе жүзінде анықтағаннан кейін, молекулалық токтардың табиғаты түсінікті бола бастады.
1913 жылы Нильс Бор дамытқан теория бойынша атомдардағы электрондар дөңгелек орбита бойынша козғалатындығы дәлелденді. Электронның қозғалу жолындағы кез келген ауданшадан, Бірлік уақытта ev заряды өтеді, мұнда е — электрон заряды, v - «бірлік секундтағы оборот саны. Демек, орбита бойымен козғалған электрон ток күші і=еv болатын дөңгелек ток тудырады. Электрон заряды теріс болғандықтан электрон қозғалысының және октың бағыты бір-біріне қарама-қарсы болады. Ток электронның тудырған магнит моменті мынаған тең: р_im=iS=e\nr2, мұндағы r—орбита радиусы. 2nrv көбейтіндісі электрон козғалысының v жылдамдығын береді, сондықтаң оны былай жазуға болады: p_v = (ev_r)/2. Бұл өрнек электронның орбита мен қозғалысынан туған момент болғандықтан, оны электронның орбитальды магнитмоменті деп атайды. р_m векторының бағыты, токтың бағытымен оң бұрандалы, ал электронның қозғалыс бағытымен сол бұрандалы системаны құрады. Орбита бойынша қозғалған электрон мынадай импульс моментіне ие болады:
L — mvr ( m — электрон массасы). L векторын электронный орбитальды механикалық моменті деп атайды. Ол электрон қозғалыс бағытымен оң винт системасын құрайды. Демек, р_m және L векторларыныц бағыттары карама-қарсы болады. Элементар бөлшектің магнит моментінің оның механикалық моментіне қатынасы гиромагниттік қатынас деп аталады.Электрон зырылдауық сияқты ядроны айнала қозғалады екен. Бұл жағдай гиромагниттік және магнитомеханикалық деп аталатын құбылыстардың негізінде жатады, магнетикті магниттеуден ол айналады, керісінше, магнетикті айналдырудан ол магниеттеледі. Бірінші құбылысты алғаш рет эксперимент турінде Эйнштейн мен де Хаас, ал екіншіеін Барнетт дәлелдеді,Эйнштейн мен де Хаастың тәжірибелерінің негізінде мынадай ұғым жатыр. Егер магнетик стерженьді магниттесек, онда электронный орбитальды магнит моменттері тepic бағыты бойынша, ал механикалық момент өріске қарама-қарсы орналасады. Нәтижесінде электронның қосынды механикалық моменті нольден өзгеше болады (алғашқыда кейбір моменттердің хаосты бағдарының салдарынан ол нольге тең болады). Стержень электрон системаларының импульс моменті өзгеріссіз қалуы керек. Сондықтан стержень 2ЕR шамасына тең импульс моментін алып, айналысқа келеді.

Эйнштейн және де Хаас тәжірибелері

Магниттелу бағытының өзгерісі стерженьнің айналыс бағытының өзгерісіне әкеліп соғады. Бұл тәжірибенің механикалық моделі ретінде айналып тұрған орындыққа адамды отырғызып, оның қолына айналып тұрған велосипед доңғалағын ұстатып жасауға болады. Адам велосипед доңғалағын жоғары қараи аиналдыратын болса, өзі доңғалақтың айналу бағытына қарама-қарсы жаққа қарай айналып кетеді. Доңғалақты төмен қарай айналдырғанда да, адам қарама-қарсы жаққа қарай айналады. Эйнштейн мен де Хаастың тәжірибесі төмендегідей жузеге асырылды. Серпімді шиыршықталған жіпке жұқа темір стержень іліп, оны соленоидтың ішіне орналастырған. Тұрақты магнит өрісімен стерженьді магниттеген уақытта жігітің бұралуы өте аз болады. Тиімділігін арттыру үшін резонанс әдісі қолданылады — соленоидты жиілігі системаның механикалық тербелісінің меншікті жиілігімен тең етіп таңдап алынған айналмалы токпен қоректендіреді. Осы жағдайда тербеліс амплитудасы жіпке бекітілген айнадан шағылысқан жарық ебелегінің ығысуын байқай отырып өлшеуге болатын мәнге жетеді. Тәжірибе мәліметтерінен Гаусс системасында шамасына тең болатын гиромагниттік қатынасы есептелген болатын. Сөйтіп, молекулалық токтарды туғызатын заряд тасымалдаушыларының таңбасы, электрон зарядының таңбасымен тура келді. Алайда алынған нәтиже күткен гиромагниттік қатынастың мәнінен екі есе артып кетті. Барнетт тәжірибесін түсіндіру үшін, мынаны еске түсірейік, гироскопты қандай да бір бағытта айналысқа келтіруге әрекет жасағанда гироскоптың осін, гироскоптың меншікті және оны еріксіз айналдырушы бағыты дал келетіндей, бұрамыз. Егер карданды ілгішке бекітілген гироскопты центрден тепкіш машинаның дискісіне орнатып, оны айналысқа келтірсек, онда гироскоптың осі вертикаль бойымен орналасады, әрі гироскоптың айналу бағыты дискінің айналу бағытымен дәл келеді. Центрден тепкіш машинаның айналу бағытын өзгерткенде гироскоптың осі 180°-қа бұрылады, яғни айналыстың екеуінің де бағыттары қайтадан дәл келетіндей бұрылады. Барнетт темір стерженьді өзі осінен өте жылдам айналатын етіп жасады, осы кезде пайда болатын магниттелуді өлшеді. Осы тәжірибенің нәтижесінде де Барнетт мәнінен екі есе артатын гиромагниттік қатынастың шамасын тапты. Осыдан былай қарай электронның және орбитальдық моменттерінен басқа Ls меншікті механикалық және pms магниттік моменттері болатындығы анықталды, бұлар үшін гиромагниттік қатынасы мынаған тең: яғни Эйнштейн, де Хаас және Барнетт тәжірибелерінен алынған мәнімен дәл келеді. Осыдан темірдің магниттік қасиеттері электрондардың орбитальдығынан емес, керісінше, меншікті магниттік моментінен шығады. Электрондардыц меншікті моменттерінің болуын алғашында электронды өз осінен айналып тұрған зарядталган шар ретінде қарастыра отырып түсіндіруге тырысты. Осыған сәйкес электронндық меншікті механикалық моменті спин деген атка ие болды (ағылшынша lospin — айналу деген сөзден шыққан). Алайда мұндай түсі кейбір қарама-қарсы қайшылықтарга келтіретінін байқап, бұл «айналмалы электрон» ұғымынан кейін бас тартуға тура келді. Қазіргі уақытта меншікті механикалық момент (спин) және осыған байланысты меншікті (спинді) магнит моменті, электрондардын массасы мен заряды сияқты бөлінбейтін қасиеттері болып саналады. Электрондардан басқа элементар бөлшектерде де спин болады. Элементар бөлшектердін спины һ шамасынык бүтін немесе жартылай есе мәніне тен, ол һ Планк тұрақтысын 2л-гe бөлгенге тен : А =1,05-10⁻³⁴Дж*сек. Жекелеп алғанда электрон үшін Ls=1/2h, осыған байланысты электрон спинге тең деп айтады. Сонымен, элементар заряд е зарядтың табиғи бірлігі болып табылатыны сияқты h-ты импульс моментінің табиғи бірлігі ретінде қарастыруга болады. Демек, электронның меншікті магнит моменті Бордың бір магнетона тең. Атомный магнит моменті оның құрамына енетін электрондардын орбитальды және меншікті моменттерінен, сондай-ақ ядроның магнит моментінен (ядроның құрамына енетін элементар бөлшектер — протондар мен нейтрондардың магнит моменттерінен болатын) тұрады. Ядроның магнит моменті электрондардын моменттерінен едәуір кем болады, сондықтан көп мәселелерді қарастырғанда оны ескермей атомның магнит моменті электрондардын магнит моменттерінің векторлық қосындысына тең деп есептейміз. Молекулалардың магнит моланк тұрақтысын сонымен катар квант әсері деп те атайды. Элементтенттерін де олардың құрамына кіретін электрондардың магнит моменттерінің қосындысына тең деп есептейміз. Атомдар мен молекулалардыд магнит моменттеріне экспериментальдық анықтамасын берген Штерн және Герлах болды. Олардың тәжірибесінде үлкен градиентті магнит өрісі аркылы молекулалық шоқ жіберіледі. Өрістің әр тектілігін электромагнит полюстері үштарын ерекше формада жасау есебінен алуға болады. оның шамасы мен таңбасы өріс бағыты мен векторының арасындағы а бұрышқа байланысты болады. Бағыт бойынша молекулалар моменттерінің хаосты таралуы кезінде шоқта a-ның мәні 0-ден л-ге дейін өзгеретін бөлшектер болады. Осыған байланысты, жіңішке молекулалық шоқ полюстың арасымен өткенде, экранда созылған тұтас із қалдырады деп ұйғарылған. Оның шеті а = 0 және я бұрыштарын жасайтын молекулаларға сәйкес келеді. Тәжірибе күтпеген нәтиже берді. Өріс жоқта алынған тұтас созылған іздің орнына, шок ізіне қатысты симметриялы орналасқан жеке сызыктар алынды. Штерн лоне Герлах тәжірибелері, магнит өрісіне қарағанда, атомдар мен молекулалардың магнит моменттері бағдарланатын бұрыштардың тек дискретті мәндері болатындығын көрсетті, яғни өріс бағытына түсірілген магнит моментінің проекциясы квантталады. Магнит өрісінін бағытында, магнит моменті проекциясының мүмкін болатын мәндерінін саны әр түрлі том тар үшін түрліше болады. Күміс, алюминий, мыс және сілті металдарының атомдары үшін ол екіге тең ал ванадий, азот және галогендер үшін —төртке, оттегі үшін —беске, марганец үшін алтыға, темір үшін тоғызға, кобальт үшін онға тең және т. б. Атомдардың магнит моменттерін өлшеу Бор магнетотының бірнеше мәндерін берді. Кейбір атомдар шоқтарының ауытқуы байкалмайды, бұл оларда магниттік моменттері жоқ екенін көрсетеді.