Магнитный момент

см. Магнетизм.

основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Из опыта и классической теории электромагнитного поля следует, что магнитные действия замкнутого тока (контура с током) определены, если известно произведение (М) силы тока i на площадь контура σ (М = iσ/c в СГС системе единиц (См. СГС система единиц), с —скорость света). Вектор М и есть, по определению, М. м. Его можно записать и в иной форме: М = m l, где m —эквивалентный Магнитный заряд контура, а l— расстояние между «зарядами» противоположных знаков (+ и -).

М. м. обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. М. м. элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента — Спина. М. м. ядер складываются из собственных (спиновых) М. м. образующих эти ядра протонов и нейтронов, а также М. м., связанных с их орбитальным движением внутри ядра. М. м. электронных оболочек атомов и молекул складываются из спиновых и орбитальных М. м. электронов. Спиновый магнитный момент электрона m_сп может иметь две равные и противоположно направленные проекции на направление внешнего магнитного поля Н. Абсолютная величина проекции

где μ_в= (9,274096 ±0,000065)·10^-21эрг/гс —Бора магнетон, h —Планка постоянная, е и m_e — заряд и масса электрона, с — скорость света; S^H —проекция спинового механического момента на направление поляH. Абсолютная величина спинового М. м.

где s = ¹/₂ — спиновое квантовое число (См. Квантовые числа). Отношение спинового М. м. к механическому моменту (спину)

так как спин

Исследования атомных спектров показали, что m^Н_сп фактически равно не m_в, а m_в (1 + 0,0116). Это обусловлено действием на электрон так называемых нулевых колебаний электромагнитного поля (см. Квантовая электродинамика, Радиационные поправки).

Орбитальный М. м. электрона m_орб связан с механическим орбитальным моментом _орб соотношением g_opб = |m_орб| / |_орб| = |e|/2m_ec, то есть Магнитомеханическое отношениеg_opб в два раза меньше, чем g_cп. Квантовая механика допускает лишь дискретный ряд возможных проекций m_орб на направление внешнего поля (так называемое Квантование пространственное): m^Н_орб = m_lm_в, где m_l —магнитное квантовое число, принимающее 2l+ 1 значений (0, ±1, ±2,..., ±l, где l—орбитальное квантовое число). В многоэлектронных атомах орбитальный и спиновый М. м. определяются квантовыми числами L и S суммарного орбитального и спинового моментов. Сложение этих моментов проводится по правилам пространственного квантования. В силу неравенства магнитомеханических отношений для спина электрона и его орбитального движения (g_cп ¹ g_opб) результирующий М. м. оболочки атома не будет параллелен или антипараллелен её результирующему механическому моменту J.Поэтому часто рассматривают слагающую полного М. м. на направление вектора J, равную

где g_J — магнитомеханическое отношение электронной оболочки, J— полное угловое квантовое число.

М. м. протона, спин которого равен

должен был бы по аналогии с электроном равняться

где M_p — масса протона, которая в 1836,5 раз больше m_e, m_яд — ядерный магнетон, равный 1/1836,5m_в. У нейтрона же М. м. должен был бы отсутствовать, поскольку он лишён заряда. Однако опыт показал, что М. м. протона m_p = 2,7927m_яд, а нейтрона m_n = —1,91315m_яд. Это обусловлено наличием мезонных полей около нуклонов, определяющих их специфические ядерные взаимодействия (см. Ядерные силы, Мезоны) и влияющих на их электромагнитные свойства. Суммарные М. м. сложных атомных ядер не являются кратными m_яд или m_p и m_n. Таким образом, М. м. ядра калия _яд. Причиной этой неаддитивности является влияние ядерных сил, действующих между образующими ядро нуклонами. М. м. атома в целом равен векторной сумме М. м. электронной оболочки и атомного ядра.

Для характеристики магнитного состояния макроскопических тел вычисляется среднее значение результирующего М. м. всех образующих тело микрочастиц. Отнесённый к единице объёма тела М. м. называется намагниченностью. Для макротел, особенно в случае тел с атомным магнитным упорядочением (ферро-, ферри- и антиферромагнетики), вводят понятие средних атомных М. м. как среднего значения М. м., приходящегося на один атом (ион) — носитель М. м. в теле. В веществах с магнитным порядком эти средние атомные М. м. получаются как частное от деления самопроизвольной намагниченности ферромагнитных тел или магнитных подрешёток в ферри- и антиферромагнетиках (при абсолютном нуле температуры) на число атомов — носителей М. м. в единице объёма. Обычно эти средние атомные М. м. отличаются от М. м. изолированных атомов; их значения в магнетонах Бора m_в оказываются дробными (например, в переходных d-металлах Fe, Со и Ni соответственно 2,218 m_в, 1,715 m_в и 0,604 m_в) Это различие обусловлено изменением движения d-электронов (носителей М. м.) в кристалле по сравнению с движением в изолированных атомах. В случае редкоземельных металлов (лантанидов), а также неметаллических ферро- или ферримагнитных соединений (например, ферриты) недостроенные d- или f-слои электронной оболочки (основные атомные носители М. м.) соседних ионов в кристалле перекрываются слабо, поэтому заметной коллективизации этих слоев (как в d-металлах) нет и М. м. таких тел изменяются мало по сравнению с изолированными атомами. Непосредственное опытное определение М. м. на атомах в кристалле стало возможным в результате применения методов магнитной нейтронографии, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР, ФМР и т.п.) и Мёссбауэра эффекта. Для парамагнетиков также можно ввести понятие среднего атомного М. м., который определяется через найденную на опыте постоянную Кюри, входящую в выражение для Кюри закона или Кюри - Вейса закона (см. Парамагнетизм).

Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973.

С. В. Вонсовский.

МАГНИТНЫЙ момент - векторная величина, характеризующая вещество как источник магнитного поля. Макроскопический магнитный момент создают замкнутые электрические токи и упорядоченно ориентированные магнитные моменты атомных частиц. У микрочастиц различают орбитальные магнитные моменты (напр., у электронов в атомах) и спиновые, связанные со спином частицы. Магнитный момент тела определяется векторной суммой магнитных моментов частиц, из которых тело состоит.

magnetic moment

magnetic moment

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ

основная величина, характеризующая магн. свойства в-ва. Источником магнетизма (М. м.), согласно классич. теории эл.-магн. явлений, явл. макро- и микро(атомные)- электрич. токи. Элем. источником магнетизма считают замкнутый ток. Из опыта и классич. теории эл.-магн. поля следует, что магн. действия замкнутого тока (контура с током) определены, если известно произведение силы тока i на площадь контура s (M=is/с в СГС системе единиц). Вектор М и есть, по определению, М. м. Его можно записать по аналогии с электрическим дипольным моментом в форме: M=ml, где т — эквивалентный магнитный заряд контура, а l — расстояние между «магн. зарядами» противоположных знаков.

М. м. обладают элем. ч-цы, ат. ядра, электронные оболочки атомов и молекул. М. м. отдельных элем. ч-ц (эл-нов, протонов, нейтронов и др.), как показала квант. механика, обусловлен существованием у них собств. механич. момента — спина. М. м. ядер складываются из спиновых М. м. протонов и нейтронов, образующих эти ядра, а также из М. м., связанных с их орбит. движением внутри ядра. М. м. ат. ядер на три порядка меньше М. м. эл-нов в атомах, поэтому М. м. атомов и молекул определяется в осн. спиновыми и орбитальными М. м. эл-нов. Спиновый М. м. эл-на mсп может ориентироваться во внеш. магн. поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции mсп на направление вектора напряжённости Н внеш. поля:

где?е? — абс. значение элем. электрич. заряда, me — масса покоя эл-на, mБ — магнетон Бора, SH — проекция на H спинового механич. момента. Исследования ат. спектров показали, что mcn фактически равен не mБ, а mБ(1+0,0116). Это обусловлено действием на эл-н т. н. нулевых колебаний эл.-магн. поля (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА).

Орбитальный М. м. эл-на mорб связан с его орбит. механич. моментом

где gорб — магнитомеханическое отношение для орбит. движения эл-на. Квант. механика допускает лишь дискр. ряд возможных проекций mорб на направление внеш. поля (см. КВАНТОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЕ): mop6=ml
• mБ, где ml — магнитное квантовое число, принимающее 2l+1 значений (0, ±1, ±2,..., ±l, где l — орбит. квант. число). В атомах суммарные орбитальный и спиновый М. м. эл-нов определяются отдельно квант. числами L и S. Сложение этих моментов проводится по правилам пространств. квантования. В силу неравенства магнитомеханич. отношения для спина эл-на и его орбит. движения результирующий М. м. электронной оболочки атома не будет параллелен или антипараллелен её результирующему механич. моменту.

Для хар-ки магн. состояния макроскопич. тел вычисляется ср. значение результирующего М. м. всех образующих тело микрочастиц. Отнесённый к ед. объёма тела М. м. наз. намагниченностыо. Для макроскопич. гол, особенно для тел с магнитной структурой атомной (ферро-, ферри- и антиферромагнетиков), вводят понятие средних атомных М. м. как ср. значениям, м., приходящегося на один атом (ион) — носитель М. м. Обычно средние атомные М. м. отличаются от М. м. изолированных атомов; их значения в mБ оказываются дробными (напр., у Fe, Co и Ni они равны соответственно 2,218; 1,715 и 0,604 mБ).

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ, измерение силы постоянного магнита или токонесущей катушки. Это максимальная поворотная сила (поворотный момент), приложенная к магниту, катушке или электрическому заряду в МАГНИТНОМ ПОЛЕ, деленная на силу поля. Заряженные частицы и атомные ядра также имеют магнитный момент.

векторная величина, характеризующая магн. св-ва в-ва. М. м. обладают все элементарные частицы и образованные из них системы (атомные ядра, атомы, молекулы). М. м. атомов, молекул и др. многоэлектронных систем складывается из орбитальных М. м. электронов, спиновых М. м. электронов и ядер и вращат. М. м., обусловленного вращением молекулы как целого. Орбитальный М. м. электрона

,

где е и m _е - абс. значения заряда и массы электрона соотв., с - скорость света, g_e - коэф. пропорциональности, наз. гиромагнитным отношением, вектор L - орбитальный момент кол-ва движения, квадрат к-рого равен (l - орбитальное квантовое число, - постоянная Планка). Знак минус обусловлен отрицат. зарядом электрона и означает, что направления М. м. m_L и орбитального момента L противоположны. Электронный орбитальный М. м. значителен у многоэлектронных атомов и ионов с частично заполненными d- и f-орбиталями, напр. у атомов и ионов переходных металлов, а также у двухатомных молекул (напр., NO). У многоатомных орг. молекул и радикалов в осн. состоянии электронный орбитальный М. м. практически отсутствует. М. м., обусловленный спином электрона, m_s = Ч gg_es, где вектор s - собств. момент кол-ва движения (спин), квадрат к-рого равен (s - спиновое квантовое число), g -множитель Ланде (g-фактор), равный для электрона 2,0023. Направление спинового М. м. электрона также противоположно направлению спина (собств. момента кол-ва движения). М. м. электрона часто выражают через магнетон Бора Дж/Гс; тогда и М. м., обусловленный спином ядра, определяется как m_n = g_nI, где g_n - гиромагнитное отношение для ядра, а квадрат вектора I равен , где I - спиновое квантовое число ядра. Ядерный М. м. часто выражают через ядерный магнетон Дж/Гс, где т _р -> масса протона; тогда и , где g_n Ч>g-фактор ядра. Последняя величина имеет разл. значения для разных ядер и определяется внутр. (нуклонной) структурой ядра. Направление М. м. протона совпадает с направлением его спина; для др. ядер (напр., ¹⁵N) оно м. б. противоположным. Орбитальный М. м. m_L, спиновые электронный и ядерный М. м. m_s и m_n пропорциональны соответствующим моментам кол-ва движения L, S и I, но коэф. пропорциональности для них различны. По этой причине направление М. м. атомных и мол. систем, как правило, не совпадает с направлением вектора их полного момента кол-ва движения. У атомов и ионов, содержащих неспаренные электроны, главный вклад в М. м. вносят m_L и m_s: у орг. радикалов М. м. определяется почти исключительно m_s, а небольшой вклад m_L приводит лишь к малому отличию g-фактора радикалов от g-фактора своб. электронов. В магн. поле напряженности Н (вектор с компонентами Н _х,< Н _y и Н _z) энергия Ечастицы изменяется: