Тема магнитные свойства электрона и электронной оболочки атома



жүктеу 68.6 Kb.
Дата07.09.2018
өлшемі68.6 Kb.

III. Электричество и магнетизм

_____________________________________________________________________________


Тема 6.3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНА И ЭЛЕКТРОННОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМА
1.6. Элементарный ток. Механический и магнитный моменты электрона.

Согласно планетарной модели, электрон в атоме движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса R. При этом через площадку S, расположенную на пути электрона будет переноситься заряд , где N – число оборотов электрона за время t. Так как, по определению , то , где - частота обращения электрона. Следовательно, можно утверждать, что электрон, движущийся вокруг ядра, эквивалентен элементарному току



. 6.1

Движущийся электрон подобен контуру с током I и тогда его магнитный момент



6.2

называется орбитальным магнитным моментом.

Но движущийся вокруг ядра электрон обладает и механическим моментом импульса

. 6.3

Отношение называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов. Для электрона, движущегося вокруг ядра, это отношение с учетом 6.2 и 6.3 будет равно:



. 6.4

Знак минус говорит о том, что вектора направлены в разные стороны.

Вследствие вращения вокруг ядра электрон подобен волчку. Это обстоятельство лежит в основе так называемых гиромагнитных или магнитомеханических явлений, заключающихся в том, что намагничивание магнетика приводит к его вращению, и, наоборот, вращение магнетика вызывает его намагничивание. Существование первого из них было доказано экспериментально Эйнштейном и де-Хаасом, второго – Барнеттом. В опытах Эйнштейна и де-Хааса, Барнетта было определено гиромагнитное отношение, которое оказалось равным

,

т.е. в два раза больше, чем теоретическое значение. Следовательно, объяснить процесс намагничивания ферромагнетиков орбитальным движением электронов невозможно.


2.6. Спин электрона. Спиновый магнитный момент.

Для объяснения опытов Эйнштейна и де-Хааса, Барнетта в 1928 году Гаудсмит и Юленбек выдвинули предположение о том, что электрон обладает собственным магнитным моментом и собственным механическим моментом импульса отношение которых



. 6.5

Собственный механический момент импульса электрона получил название спина. Спин – внутренний момент импульса микрочастицы, имеет квантовую природу и не связан с движением частицы как целого.

Изучение тонкой структуры спектральных линий атомов показало, что спин электрона равен , где - постоянная Планка и присущ ему, так же как и заряд и масса, т.е.

. 6.6

В соответствии с 6.5. и 6.6 собственный магнитный момент электрона



. 6.7

Величину называют магнетоном Бора. Следовательно, собственный магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора.

Магнитный момент атома слагается из магнитных моментов электронов, входящих в его состав и магнитного момента ядра. Магнитный момент ядра достаточно мал и поэтому, при рассмотрении многих вопросов им можно пренебречь и считать, что магнитный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов электронов.
3.6. Гипотеза Ампера. Объемные и поверхностные токи.

Для объяснения намагничивания вещества Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает магнитное поле. В отсутствии внешнего магнитного поля эти токи разориентированы и их результирующее поле равно нулю. Во внешнем магнитном поле эти токи ориентируются так, что их магнитные моменты направлены по полю и в результате внутри вещества элементарные токи направлены навстречу друг другу и компенсируются. Лишь на поверхности вещества эти токи имеют одно направление и складываются. Этот ток получил название поверхностного тока. Этот ток можно рассматривать как ток в катушке, что мы и будем делать в дальнейшем.






Тема 7.3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. МАГНЕТИКИ.
1.7. Намагниченность. Магнитное поле в веществе.

До сих пор мы рассматривали магнитное поле в вакууме. Если проводники с токами находятся не в вакууме, а в другой среде, то магнитное поле изменяется.

Это говорит о том, что различные вещества в магнитном поле намагничиваются, т.е. становятся источниками магнитного поля. Результирующее поле в среде является суммой полей создаваемых проводниками с током и намагничивающейся средой, и поэтому оно не равно полю в вакууме, т.е.

, 7.1

где


7.2

индукция магнитного поля в вакууме, - индукция магнитного поля, создаваемого намагничивающейся средой. Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками.

Тогда для количественной оценки намагничения вещества можно ввести вектор называемый намагниченностью и имеющий смысл намагничения единицы объема вещества.

, 7.3

Где - магнитный момент магнетика, равный векторной сумме магнитных моментов отдельных атомов.

Если среда намагничена неоднородно, то вектор намагниченности определяется для физически малого объема, т.е.

.

Вектор намагниченности является основной величиной, характеризующей магнитное состояние вещества. Зная вектор намагниченности в каждой точке тела, можно определить и магнитное поле, создаваемое этим намагниченным телом.

Задача значительно упрощается, если вектор намагниченности одинаков во всех точках магнетика (однородное намагничение).

Для определения индукции магнитного поля в магнетике возьмем образец в виде цилиндра, длиной и площадью поперечного сечения . В этом случае поверхностные токи можно рассматривать как ток в катушке и для индукции поля, создаваемого этим током можно использовать выражение 5.11, т.е.



, 7.4

где - число витков на единицу длины образца,



- сила поверхностного тока. Тогда

. 7.5

Магнитный момент поверхностного тока определяется по формуле



, 7.6

но с другой стороны, по 7.3



. 7.7

Из равенства правых частей выражений 7.6 и 7.7 следует, что



7.8

и выражение 7.5 принимает вид



. 7.9

Подставляя 7.2 и 7.9 в 7.1, для индукции магнитного поля в среде получим:



7.10

или


. 7.11

Опыт показывает, что для большинства однородных и изотропных магнетиков (исключение – ферромагнетики) вектор намагниченности прямо пропорционален напряженности магнитного поля, т.е.



, 7.12

где - магнитная восприимчивость вещества, величина безразмерная и составляет величину порядка .

Подставляя 7.12 в 7.11, получим:

. 7.13

Безразмерная величина



7.14

называется магнитной проницаемостью вещества. В отличие от диэлектрической восприимчивости , которая принимает только положительные значения, магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Поэтому магнитная проницаемость вещества может быть как больше единицы, так и меньше единицы.

Подставив 7.14 в 7.13, для индукции магнитного поля в веществе получим выражение

, 7.15

которое совпадает с выражением 5.3 которое мы вводили эмпирически.

Магнетики у которых получили название диамагнетиков, а вещества с - парамагнетиков. Так как магнитная восприимчивость для диа – и парамагнетиков очень мала, то для них магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы и поэтому, они относятся к слабо магнитным веществам.
3.7. Основные типы магнетиков. Природа диа- и парамагнетизма.


  1. Диамагнитные свойства наблюдаются у веществ, атомы которых имеют магнитный момент равный нулю (неполярные диэлектрики), например, большинство органических соединений, углекислый газ.

Электрон, движущийся по круговой орбите, подобен волчку. Под действием магнитного поля, индукция которого составляет угол с осью орбиты электрона, возникает прецессия электронной орбиты, при которой вектор магнитного момента атома , сохраняя постоянным угол , вращается вокруг направления вектора магнитной индукции с некоторой частотой называемой Ларморовой частотой. Она не зависит от угла наклона и одинакова для всех электронов.

Это движение электрона эквивалентно круговому току. Поскольку этот ток индуцирован магнитным полем, то по правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная против внешнего магнитного поля. Эта составляющая существует у всех атомов и обуславливает собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле и поэтому у диамагнетиков .



  1. Парамагнитные свойства наблюдаются у веществ атомы, которых имеют отличный от нуля магнитный момент (полярные диэлектрики). В отсутствии внешнего магнитного поля, вследствие теплового движения, магнитные моменты атомов разориентированы и поэтому магнитный момент вещества равен нулю (рис. 59а). При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты атомов ориентируются по полю (полной ориентации препятствует хаотическое тепловое движение) (рис. 59б) и магнетик приобретает магнитный момент отличный от нуля. Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, направленное по внешнему полю и усиливает его и, следовательно, .

В парамагнетиках наблюдается и диамагнитный эффект, но он значительно слабее парамагнитного и им можно пренебречь.

Обобщая все выше сказанное можно сказать, что в случае, когда магнитный момент атома велик, то преобладают парамагнитные свойства, если мал, то диамагнитные.
Каталог: company -> personal -> user
user -> 11 людей, которые не сразу стали успешными
user -> А. Бергсон Творческая эволюция
user -> Лекция №4 Тема лекции: «Виноделие Италии» План лекции: История развития виноделия в Италии Итальянская классификация вин
user -> Тема 15. Утилизация отходов производства
user -> Лекция №27. Современная физическая картина мира Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия
user -> Тема: Биогеографическое районирование океана
user -> Лекция 2: опыт местного самоуправления за рубежом и виды муниципальных систем


Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет