Experimentele lui Rutherford privind studiul împrăștierii particulelor emise de preparate radioactive pe folii metalice au fost efectuate în 1911. Aceste experimente au fost justificarea experimentală finală pentru modelul planetar al atomului. Atomii tuturor substanțelor constau dintr-un nucleu încărcat pozitiv și din electroni încărcați negativ care se deplasează în jurul nucleelor de-a lungul orbitelor circulare. Modelul atomului Rutherford utilizează descrierea mișcării electronilor în atomi bazată pe legile fizicii clasice. Conform legilor fizicii clasice, mișcarea orbitală a electronilor nu poate fi stabilă, deoarece mișcarea inegală a electronilor trebuie să fie însoțită de emisia de unde electromagnetice. De fapt, legile fizicii clasice sunt aplicabile corpurilor macroscopice, constând dintr-un număr foarte mare de particule elementare. Comportamentul atomilor poate fi descris numai pe baza legilor cuantice. Aplicarea legilor cuantice la descrierea mișcării electronilor în atomi este reflectată în postulatele lui Bohr. Postulatele afirmă că orbitele electronilor din atomi sunt staționare și discrete. Radiația sau absorbția energiei prin atomi are loc prin quanta și este asociată cu o tranziție de jumătate de electroni de la o orbită permisă la alta.
Un electron care se deplasează pe o orbită circulară formează un dipol magnetic (a se vedea figura 7.7).
Deoarece încărcarea unui electron este negativă, vectorul momentului angular mecanic al electronului este direcționat opus vectorului momentului magnetic al mișcării orbitale a electronului. Avem:
unde este frecvența de rotație a electronului de-a lungul orbitei razei,
unde viteza mișcării electronilor de-a lungul orbitei este masa electronului.
Definiția. Raportul dintre momentul magnetic al unei particule elementare și momentul său mecanic se numește raportul magnetomecanic (sau giromagnetic).
Pentru mișcarea orbitală a unui electron, raportul gyromagnetic este
Din fig. 7.7 că proprietățile magnetice ale fiecărui atom sunt legate de rotația mecanică a electronilor în jurul nucleului. Acest fapt subliniază fenomenele magnetomecanice: magnetizarea unui magnet duce la rotirea sa și, dimpotrivă, rotirea unui magnet provoacă magnetizarea acestuia.
Apariția rotației unui magnet în timpul magnetizării lui a fost găsită experimental în experimentele Einstein și de Haas (vezi Figura 7.8).
O tijă subțire de fier, suspendată pe un fir elastic, a fost plasată în interiorul solenoidului. Când tija este magnetizată într-un câmp magnetic constant al unui solenoid cu curent, filamentul se transformă într-un unghi mic. Pentru a spori efectul, solenoidul nu a fost alimentat de o constantă, ci de un curent alternativ la o frecvență egală cu frecvența naturală a oscilațiilor mecanice ale sistemului. Amplitudinea oscilațiilor de rezonanță a fost măsurată cu o oglindă fixată pe filament. Raportul gyromagnetic al electronului a fost estimat din experiment, care a fost de aproape 2 ori mai mare decât valoarea datorată mișcării orbitale a electronului din (7.16), adică,
Același rezultat pentru magnitudinea raportului gyromagnetic al electronului a fost obținut în experimentul Barnett. Tija de fier a fost condusă într-o rotație foarte rapidă. În acest caz, tija a fost magnetizată. Explicarea experienței: un electron rotativ este similar cu un giroscop. Când tija sa rotit, fiecare astfel de giroscop, împreună cu el, a primit o rotație forțată suplimentară. În acest caz, axa de rotație a fiecărui giroscop tind să se orienteze în direcția rotației forțate.
Se poate observa că rezultatul experimental (7.17) nu este de acord cu teoretic așteptat (7.16) pentru mișcarea electronică orbitală. Explicația discrepanței a fost dată în teoria cuantică: electronul, ca și alte particule elementare, are propriul său moment mecanic (spin) și momentul magnetic corespunzător. Mai mult decât atât, raportul gyromagnetic pentru momentele electronice eigen
Concluzii Proprietățile magnetice ale fierului, precum și ale altor feromagneți, nu se datorează orbitalului, ci momentelor magnetice intrinseci ale electronilor.
Spinul particulelor elementare se dovedește a fi un număr întreg sau jumătate integral al constantei Planck.
Momentul magnetic al atomului este compus din vectori ai momentelor orbitale și intrinseci magnetice ale electronilor și ale momentului magnetic al nucleului. Momentul unghiular al nucleului constă în momentele magnetice ale protonilor și neutronilor care intră în el. Momentul magnetic al nucleului este de obicei mic în comparație cu momentul magnetic al electronului. Când se iau în considerare multe fenomene, momentele magnetice ale nucleelor nu sunt luate în considerare.
În experimentele lui Stern și Gerlach (vezi figura 7.9), momentele magnetice ale atomilor au fost măsurate experimental. Un fascicul de atomi a fost trecut printr-un câmp magnetic puternic neomogen. Neomogenitatea câmpului a fost asigurată de o formă specială a pieselor polului electromagnetului.
Într-un câmp neomogen, atomii fasciculului acționează
unde este unghiul dintre momentul magnetic al atomului și inducția câmpului magnetic.
Datorită mișcării termice, valorile unghiulare pentru diferiți atomi din fascicul sunt distribuite haotic (în intervalul de la). După trecerea prin câmpul magnetic, pe ecran, în loc de o urmă continuă de fascicul de fascicul, liniile separate sunt localizate simetric în raport cu traseul fasciculului obținut în absența unui câmp magnetic. Numărul de linii depinde de natura substanței.
Concluzie Unghiurile de orientare a momentelor magnetice ale atomilor față de direcția câmpului magnetic pot lua doar valori discrete, adică proiecția momentului magnetic pe direcția câmpului magnetic este cuantificată.
Măsurătorile au arătat că momentele magnetice ale atomilor pot atinge valori de ordinul mai multor magnetoni Bohr, unde. De exemplu, momentul magnetic intrinsec al unui electron este egal cu un magneton Bohr. Pentru unii atomi, fasciculul care se desparte într-un câmp magnetic neomogen nu este detectat. Asemenea atomi nu au momente magnetice.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: