Магнитные свойства твердого тела определяются поведением микрочастиц, входящих в состав атомов и молекул, из которых состоят эти макротела. Поэтому вначале необходимо рассмотреть магнитные свойства свободного атома. Для качественного описания природы магнетизма атомов используем простейшую планетарную модель атома, согласно которой электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра по круговым орбитам.

Движущийся по круговой орбите радиуса $r$ электрон, эквивалентен кольцевому току $I=\frac{e}{T} $, где $e$ — абсолютная величина заряда электрона; $T=\frac{2\pi r}{v}$ — период обращения электрона по орбите; $v$ — скорость вращения. Соответствующий этому току орбитальный магнитный момент равен: $$ m_{l} =\frac{SI}{c} =-\frac{evr}{2c} , $$ где $S=\pi r^{2} $ — площадь орбиты¹⁾.

Помимо магнитного электрон имеет орбитальный механический момент количества движения электрона $$ p_{l} =m_{e} rv, $$ где $m_{e} $ — масса покоя электрона. В уравнениях входит произведение $vr$, поэтому между магнитным $m_{l} $ и механическим $p_{l} $ моментами существует простое соотношение $$ \vec m_{l} =-\frac{e}{2m_{e} c} \vec p_{l} . $$ Полученное соотношение содержит только фундаментальные постоянные (отношение заряда к его массе), не зависит от радиуса орбиты, поэтому оно справедливо для любой формы орбиты и для многоэлектронных атомов. Знак минус в выражении выше означает, что векторы магнитного и механического моментов при орбитальном движении направлены в противоположные стороны, что обусловлено отрицательным зарядом электрона. Множитель $-\frac{e}{2m_{e} c} =\gamma $ называется орбитальным магнитомеханическим (гиромагнитным) отношением для электрона.

Кроме орбитального механического движения, электрон обладает собственным моментом количества движения (механическим) $\vec p_{s},$ называемым спином, проекция которого на направление вектора $\vec B$ имеет только два значения: $+\frac 12 \hbar$ и $-\frac 12\hbar,$ ($\hbar$ — постоянная Планка).

Спин — это внутреннее свойство элементарной частицы, как заряд и масса, т.е. микрочастица не может «расстаться» со своим спином, как не может потерять часть заряда или массы. Классической модели спина не существует, но для качественного понимания этого явления можно провести аналогию с вращением Земли вокруг собственной оси.

Спину соответствует спиновый магнитный момент $\vec m_{s},$ направленный противоположно моменту количества движения $\vec p_{s}.$ Проекция спинового магнитного момента электрона на направление вектора $\vec H$ также может иметь только два значения $\pm \vec m_{s}.$) По чисто квантовым причинам отношение спинового магнитного момента к механическому $$ \vec m_{s} =-\frac{e}{m_{e} c} \vec p_{s} $$ в два раза больше, чем отношение для орбитальных моментов. Полный магнитный момент электрона складывается из орбитального магнитного момента, связанного с движением электрона вокруг ядра и спинового (собственного) магнитного момента.

В любом атоме имеется несколько электронов, поэтому его суммарный момент количества движения и полный магнитный момент являются некоторой комбинацией спиновых и орбитальных моментов. Направление суммарного магнитного момента всегда противоположно направлению момента количества движения, а их отношение может принимать значения в интервале от $-\frac{e}{m_{e}c}$ до — $\frac{e}{2m_{e}c}.$ В общем виде соотношение между суммарными магнитным и механическим моментами имеет вид: $$ \vec m_{s} =-g\left(\frac{e}{2m_{e} c} \right)\vec p_{s} , $$ где множитель $g$ характеризует состояние атома. Для чисто орбитальных моментов $g$ равно единице, для чисто спиновых — 2, а для сложной системы, подобной атому, значение $g$ находится между ними.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, каждый их которых также обладает механическим и магнитным моментом. Магнитный момент любого атома есть векторная сумма магнитных моментов микрочастиц, входящих в данный атом. Поскольку магнитный момент протонов и нейтронов много меньше магнитного момента электронов, то можно считать, что магнитные свойства атома в основном определяются магнитными свойствами его электронной оболочки.

Следовательно, происхождение магнитного момента свободного атома обусловлено:

• орбитальным движением электронов относительно ядра, создающим орбитальный магнитный момент;
• спиновым магнитным моментом электронов;
• магнитным моментом ядра, который создается спиновыми моментами протонов и нейтронов.

Твердое тело представляет совокупность огромного количества атомов, магнитные моменты которых определяются не только микрочастицами, принадлежащими данному атому, но и их взаимодействием с частицами соседних атомов. Из изложенного следует, что все тела в той или иной степени магнитны, т.е. обладают магнитными свойствами.

Назад Основные обозначения или далее Магнитное поле в веществе