Магнитный момент

Магни'тный моме'нт , 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 s (М = i s/c   в СГС системе 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 m_в = (9,274096 ±0,000065)·10^-21эрг/гс — Бора магнетон ,

, где h —Планка постоянная , е и m_e — заряд и масса электрона, с   — скорость света; S^H — проекция спинового механического момента на направление поля H . Абсолютная величина спинового М. м.

где s = ¹ /₂ — спиновое квантовое число . 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 | / |

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

 равен —1,29 m_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 монополь

Магни'тный монопо'ль. Законы природы обнаруживают большую степень подобия между электрическим и магнитным полями. Уравнения поля, установленные Дж. Максвеллом , одни и те же для обоих полей. Имеется, однако, одно большое различие. Частицы с электрическими зарядами, положительными и отрицательными, постоянно наблюдаются в природе, они создают в окружающем пространстве кулоновское электрическое поле. Магнитные же заряды, ни положительные, ни отрицательные, никогда не наблюдались по отдельности. Магнит всегда имеет два равных по величине полюса на двух своих концах — положительный и отрицательный, и магнитное поле вокруг него есть результирующее поле обоих полюсов.

  Законы классической электродинамики допускают существование частиц с одним магнитным полюсом — магнитных монополей и дают для них определённые уравнения поля и уравнения движения. Эти законы не содержат никаких запретов, в силу которых М. м. не могли бы существовать.