Лекция №6
Тема: МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНА И ЭЛЕКТРОННОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМА
План: 1. Элементарный ток. Механический и магнитный моменты электрона.
2. Спин электрона. Спиновый магнитный момент.
3. Структура электронных оболочек атомов.
4. Гипотеза Ампера. Объемные и поверхностные токи.
1. Элементарный ток. Механический и магнитный моменты электрона.
Рис. 6.1. Орбитальные магнитный момент и механический момент импульса
Согласно планетарной модели, электрон в атоме движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса R (рис. 6.1). 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 (рис. 6.1).
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 железа орбитальным движением электронов невозможно.
2. 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 орбитальных 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. Структура электронных оболочек атомов.
Заполнение электронных оболочек сложных атомов объясняется на основе принципа Паули, сформулированного им в 1925 году.
Предполагается, что в одном квантовом состоянии, определяющимся тремя квантовыми числами  может находиться не более двух электронов с различными направлениями спина. Итак, состояние электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами  , которые могут принимать следующие значения:
главное квантовое число  ,
орбитальное квантовое число  ,
магнитное квантовое число  ,
спиновое квантовое число  .
При нормальной последовательности заполнения слоев с увеличением атомного номера элемента сначала заполняются слои с меньшими номерами, а потом с более отдаленными.
Нормальный порядок заполнения не всегда имеет место, он нарушается в 3d слое. Элементы, имеющие не полностью заполненные d состояния, называются переходными.
Определение полного магнитного момента атома существенно облегчается в связи с тем, что у заполненных подслоев как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты электронов скомпенсированы. Поэтому при определении магнитного момента атома надо учитывать только не полностью заполненные электронные слои.
4. 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. |
