Меню

Измерение удельного заряда частиц



12. Экспериментальное определение удельного заряда частиц. Масс- спектрограф.

Удельным зарядом называется отношение заряда частицы к ее массе —. Если известна в отдельности одна из величин (q или m ), то по измеренному отношению можно найти и вторую величину. Удельный заряд частиц определяется экспериментально в опытах по изучению движения заряженных частиц в магнитном и электрическом полях. Имеется несколько вариантов таких опытов. Рассмотрим один из таких опытов по определению удельного заряда электрона.

Имеется электронно-лучевая трубка, в которой находятся катод К и анод А с отверстием. Внутри трубки помещены пластины конденсатора, при подаче напряжения на которые, между ними создается электрическое поле с напряженностью Е. Снаружи трубки расположены катушки, создающие магнитное поле с индукцией В. Электроны, вылетевшие из катода, пролетают через отверстие в аноде и в отсутствии электрического и магнитного поля попадают в центр экрана, точку О. Если подать напряжение на пластины конденсатора, то электроны, пролетая через конденсатор, испытывают со стороны электрического поля силу, равную и отклоняются, например, вниз. постоянна по величине и направлению, следовательно, электроны будут двигаться по параболе.

Е сли включить магнитное поле, то на движение электронов будет действовать сила Лоренца .Если катушки расположить так, чтобы магнитное поле было направлено горизонтально на нас, то под действием силы Лоренца электрон будет двигаться по дуге окружности, отклоняясь вверх. При малых углах отклонения можно считать, что если и равны, то они вызывают одинаковое смещение электронов. Если одновременно включить электрическое и магнитное поле, то можно подобрать величину этих полей так, чтобы электроны не испытывали смещение, то есть попадали в центр экрана.

При этом

Зная Е, В и U можно определить удельный заряд. Наиболее точные измерения дали следующие значения

Заряд электрона, полученный из опытов Милликена:

Зная e/m и е можно получить значение массы электрона:

Приведенная схема определения удельного заряда электронов непригодна для ионов. Дело в том, что электроны в электронно-лучевой трубке проходят одинаковую разность потенциалов, равную напряжению между катодом и анодом, и имеют, следовательно, одинаковую скорость.

И оны же получаются в газоразрядной трубке, причем в разных местах трубки и поэтому проходят различную разность потенциалов и имеют, следовательно, различную скорость. В настоящее время существует много конструкций приборов для измерения удельного заряда ионов, эти приборы называются масс-спектрографами. Впервые удельный заряд положительных ионов был определен Томсоном (1907, метод парабол). Астон в 1919г. сконструировал прибор, который и назвал масс-спектрографом. С помощью этого прибора было обнаружено существование изотопов. Рассмотрим принцип работы масс-спектрографа Бейнбриджа.

Этот масс-спектрограф состоит из трех вакуумированных камер (см. рис.) В камере 1 находится источник ионов (И), из которого вылетают ионы с разными скоростями. Через входную щель (А) ионы попадают в камеру 2, которая называется фильтром (или селектором) скоростей. В этой камере ионы попадают в скрещенные электрическое поле с напряженностью Е и магнитное поле с индукцией В1. Направление вектора Е показано на рисунке. Вектор индукции В1 направлен перпендикулярно плоскости рисунка от нас. В этих полях на ионы действует сила со стороны электрического поля F=qE и сила Лоренца со стороны магнитного поля F=qvB1, где q-заряд иона, v-скорость иона. Эти силы направлены горизонтально и в противоположные стороны. Они могут скомпенсировать друг друга только для ионов движущихся с определенной скоростью v=Е/B1 (получаемой из равенства qE=qvB1). Только ионы, обладающие такой скоростью, пролетят без отклонения фильтр скоростей и через выходную щель (С) попадут в камеру 3. В основной камере 3 создается только магнитное поле с индукцией В2. Это поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка от нас. В камере 3 ионы будут двигаться только под действием силы Лоренца по траекториям в виде полуокружностей. Радиусы этих траекторий выражаются формулой

Отсюда видно, что радиусы траекторий определяются как параметрами установки (Е, В12), так и параметрами ионов (m и q). При заданных параметрах установки и известном заряде q радиус траектории R будет пропорционален массе иона m. Таким образом, измеряя радиусы траекторий можно определить и массу ионов.

Описав половину окружности, ионы попадают на фотопластинку на расстоянии 2R от щели. Следовательно, ионы каждого сорта оставляют на пластине след в виде узкой полоски. Ввиду сходства полученной на фотопластинке картины со спектром, получаемым в обычном оптическом спектрографе, подобные приборы и были названы масс-спектрографами.

Источник

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Выше было показано, что отклонение, испытываемое заряженными частицами в электрическом и магнитном полях, зависит от величины удельного заряда частицы. Поэтому, измеряя это отклонение, можно определить e / m .

Если известна начальная скорость, и она может быть определенным способом задана в эксперименте, то для определения e / m достаточно измерить величину отклонения частицы либо в электрическом, либо в магнитном полях и по формулам (10) или (14) рассчитать e / m .

Если же скорость частицы неизвестна, то для определения e / m требуется применение и электрического и магнитного отклонения.

1. Примером методов первой группы определения удельного заряда может служить метод магнитной фокусировки. Схема опыта показана на рис.4. Электроны, эмитируемые катодом К, ускоряются электрическим полем, созданным между катодом и диафрагмой D 1 . Диафрагма D 1 имеет круглое отверстие, центр которого совпадает с осью пучка.

Диафрагма D 2 пропускает только те электроны, которые двигаются по образующим конуса с углом раскрытия 2 α . За диафрагмой D 2 электроны движутся в зоне аксиального однородного магнитного поля с индукцией В, создаваемого соленоидом, и попадают на люминесцентный экран Э. Согласно выводам, полученным нами ранее, электроны в этом случае движутся по цилиндрическим спиралям, причем период обращения (см.(17.1)) электрона не зависит ни от величины , ни от направления его начальной скорости, и определяется только величинами e / m и В. После каждого витка спирали электроны будут пересекать ось пучка на расстояниях h , 2 h . от диафрагмы D 1 , где h — шаг винтовой линии. В этих точках сечение пучка будет наименьшим, т.е. в них электронный пучок будет фокусироваться. Регулируя величину магнитного поля, можно добиться, чтобы фокусировка осуществлялась на экране Э , т.е. на расстоянии l от диафрагмы D 1 . Условие фокусировки пучка на экране есть l = nh , где n = 1,2,3 . Подставляя вместо h выражение (18), и учитывая,

что скорость υ 0 электронов определяется напряжением U , приложенным между катодом К и диафрагмой D 1, :

Окончательно для l = nh имеем l =

Отсюда e / m = ( 8 π 2 n 2 U cos 2 α ) / B 2 l 2 .

Измеряя U и В, при которых происходит фокусировка пучка на экране, можно определить e / m .

2. Определение удельного заряда электрона при воздействии на него электрического поля возможно путём изучения термоэлектронной эмиссии в вакуумном диоде . Зависимость

Читайте также:  Техника безопасности при измерении сопротивления изоляции мегаомметром

анодного тока I a диода от потенциала анода U a устанавливается законом Богуславского — Лэнгмюра или законом 3/2:

где C зависит от формы и размеров электродов диода. В частности, для плоского диода

где d — расстояние между катодом и анодом; S — площадь поверхности катода, равная площади поверхности анода; ε 0 — электрическая постоянная.

Таким образом, вольт-амперная характеристика вакуумного диода даёт возможность определить отношение e / m .

3. Примером метода определения e / m с использованием магнитного и электрического полей является метод Томсона.

Сущность данного метода заключается в компенсации отклонения электрона, вызванного действием магнитного поля, одновременным действием электрическим поле. Если электрическое и магнитное поле взаимно перпендикулярны и направлены таким образом, что первое из них стремится отклонить электрон вверх, а второе вниз, то результирующее направление будет зависеть от соотношения сил F e и F m ,

Найдём из условия равенства сил (19) скорость υ и подставим её значение в уравнение (14).

Получим tg β = e B 2 l , откуда m E

Таким образом, зная угол отклонения β , вызванный магнитным полем B , и величину электрического поля, компенсирующую это отклонение, можно определить величину e / m .

4. Определение e / m в скрещенных электрическом и магнитном полях может быть выполнено также с помощью двухэлектродного электровакуумного прибора — диода. Этот метод известен в физике как метод магнетрона . Название метода связано с тем, что используемая в диоде конфигурация электрического и магнитного полей идентична конфигурации этих полей в магнетронах — приборах, используемых для генерации электромагнитных колебаний в СВЧ области. Сущность метода состоит в следующем.

Пусть между цилиндрическим анодом А и цилиндрическим катодом К (рис. 5а), расположенным вдоль анода, приложена разность потенциалов U a , создающая

электрическое поле E r , направленное по радиусу от анода к катоду, а магнитное поле направлено перпендикулярно электрическому полю.

В отсутствии магнитного поля ( B = 0 ) электроны под действием электрического поля E r между анодом и катодом движутся прямолинейно от катода к аноду (рис. 5б). При наложении слабого магнитного поля, направление которого параллельно оси электродов, траектория электронов искривляется под действием силы Лоренца, но они достигают анода. При некотором критическом значении индукции магнитного поля B = B кр , траектория

искривляется настолько, что в момент достижения электронами анода вектор их скорости направлен по касательной к аноду. И, наконец, при достаточно сильном магнитном поле, когда B > B кр , электроны вообще не попадают на анод. Значение B кр не является постоянной

величиной для данного прибора и зависит от величины, приложенной между анодом и катодом разности потенциалов U a .

Точный расчёт траектории движения электронов в магнетроне сложен, т.к. электрон движется в неоднородном радиальном электрическом поле. Однако, если радиус катода r много меньше радиуса анода b , то электрон описывает траекторию, близкую к круговой, т.к.

напряжённость электрического поля, ускоряющего электроны, будет максимальной в прикатодной области. При B = B кр радиус круговой траектории R электрона, как видно из

рис.5, будет равен половине радиуса анода: R = b / 2 . Следовательно, согласно (13) имеем

С другой стороны, кинетическая энергия электронов, находящихся вблизи анода, определяется разностью U a потенциалов между анодом и катодом, т.к. в магнитном поле

скорость не изменяется по величине, тогда из условия m 2 υ 2 = eU a получаем

Подставляя значение υ из (22) в (21), получаем выражение для расчета удельного заряда электрона

Таким образом, для определения удельного заряда электрона методом магнетрона достаточно измерить анодную разность потенциалов U a , радиус анода b и критическое

значение индукции магнитного поля B кр , при котором исчезает анодный ток.

Опыты по измерению удельного заряда e / m заряженных частиц привели к открытию самого существования электронов. С помощью представлений об электронах были также объяснены законы термоэлектронной эмиссии, фотоэлектрического эффекта, автоэлектронной эмиссии, электропроводность металлов. По изучению отклонения заряженных частиц в электрических и магнитных полях можно найти удельный заряд не только электронов, но и ионов. Зная массу ионов, можно найти и массу атомов исследуемого вещества. Поэтому измерение e / m для ионов газа является важным и точным методом определения атомных масс и широко применяется в современной физике. Для этой цели служат специальные приборы, получившие общее название масс-спектрографов (если положение пучков определяется фотографическим способом) или масс-спектрометров (при регистрации пучков электрическими методами).

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

В данной лабораторной работе удельный заряд электрона определяется одним из рассмотренных методов — методом магнетрона. Для этого в лабораторной установке используется двухэлектродная лампа с цилиндрическим анодом и катодом. Катод лампы расположен на оси анода, как это показано на рис. 5. Между анодом и катодом приложена

разность потенциалов, создающая радиальное электрическое поле E r . Электроны, испускаемые катодом, ускоряются этим полем и достигают анода. При наложении маг-

нитного поля, вектор B r индукции которого перпендикулярен вектору E r , траектория электронов искривляется, и при некотором значении B = B кр (при заданном U a ) ток I a через

лампу должен резко спадать до нуля, как показано пунктирной линией на графике зависимости I a от B (рис. 6), если начальная скорость всех электронов одинакова.

На самом деле электроны, испускаемые катодом, обладают различными начальными скоростями, и анодный ток уменьшается не мгновенно, а плавно (сплошная линия на рис. 6). Поэтому в качестве B кр принимают значение индукции магнитного поля соответствующее

точке перегиба кривой зависимости I a = f ( B ) .

Электрическая схема лабораторной установки приведена на рис.7. Двухэлектродная лампа помещается внутрь длинного соленоида L, создающего магнитное поле. Между анодом и катодом диода приложена разность потенциалов U a , которая измеряется вольтметром V.

Анодный ток I a через диод измеряется микроамперметром. Катушка соленоида питается от источника постоянного тока U c . В цепи соленоида имеется также амперметр А для измерения тока I c через соленоид. Катодом лампы является нить накала, которая питается от источника постоянного тока U н и является источником электронов.

Для определения удельного заряда e / m между анодом и катодом прилагается некоторая разность потенциалов U a и измеряется зависимость анодного тока I a от тока I c соленоида:

I a = f ( I c ) . Строится график зависимости I a = f ( I c ) и по точке перегиба

определяется значение I кр , соответствующее критическому значению индукции магнитного

поля B кр , которая определяется по формуле для расчета магнитного поля соленоида:

B кр = k 0 n I кр ,

где 0 — магнитная проницаемость вакуума; n — число витков обмотки соленоида на единицу его длины; I кр — ток через обмотку соленоида, при котором анодный ток уменьшается до

величины, соответствующей точке перегиба; k — коэффициент, учитывающий линейные размеры соленоида.

Далее по формуле (23) рассчитывается величина удельного заряда электрона. Или используя формулы (23) и (24), удельный заряд электрона e / m определяют по формуле:

Источник

2)Определение удельного заряда частицы.

Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, то на нее действует сила Лоренца , т.к. угол между скоростью и направлением индукции поля в этом случае равен 90 градусам. Эта сила перпендикулярна скорости частицы и поэтому не совершает работы и не изменяет кинетической энергии частицы. По этой причине величина скорости частицы в магнитном поле постоянна. Поскольку направление движения частицы изменяется, то частица все же имеет ускорение, которое является центростремительным, при этом частица движется по окружности, плоскость которой перпендикулярна силовой линии магнитного поля. 2-й закон Ньютона запишется в виде: (1)

Читайте также:  Формула измерения периметра треугольника

где R – радиус окружности. Отсюда следует, что радиус т.е. он пропорционален скорости частицы. Время одного оборота частицы по окружности равно

, т.е. оно не зависит от скорости частицы.

Из формулы (1) можно получить выражение для удельного заряда частицы, т.е. для отношения заряда частицы к ее массе: (2)

Из формулы (2) видно, что для определения этой величины необходимо измерить скорость частицы и радиус окружности, по которой она движется в магнитном поле, и знать величину индукции магнитного поля.

24.Ускорители заряженных частиц.

Ускорителями заряженных частиц называются устройства , в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов , протонов , мезонов и т.д.).

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц , энергией ,сообщаемой частицам , разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный по времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные . В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных —траекториями частиц являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

1. Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де–Граафа. Заряженная частица проходит поле однократно: заряд Q, проходя разность потенциалов φ1— φ2, приобретает энергию W=Q(φ1 — φ2). Таким способом частицы ускоряются до ≈10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т.д.

2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков

мегаэлектрон- вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон- вольт.

3. Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Его принципиальная схема приведена на рис. 1. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») — периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 25 МэВ.

4. Фазотрон (синхроциклотрон) —циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами

фазотрона, так как с возрастанием скорости частиц увеличивается радиус их орбиты).

5. Синхротрон — циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5-10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон—циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т.е. управляющее

магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.

7. Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W> 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным

излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20-50 МэВ.

Билет №25 Магнитное взаимодействие движущегося электрического заряда и прямолинейного проводника с током

Электрический ток в проводнике создает магнитное поле. Приведем определение магнитного поля из БСЭ: “Магнитное поле — особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами”.

В определении указывается на то, что магнитное поле проводника действует только на движущийся электрический заряд, но при этом не объясняется, почему оно не действует на покоящийся электрический заряд. А это объяснение вытекает из особенностей проточной системы, какой является проводник.

В обесточенном проводнике присутствуют носители и положительного, и отрицательного зарядов, компенсирующие влияние друг друга, так что результирующее электрическое поле у такого проводника отсутствует. Лишь при приложении к концам проводника разности потенциалов проводник становится проточной системой, но количество статического заряда в нем остается неизменным, независимо от значения токового заряда. (Сколько электронов входит в проводник, столько же из него и выходит.)

Электрический ток не создает в проводнике избыточного количества заряда, которое может стать источником электрического поля проводника. Поэтому электрическое взаимодействие между проводником с током и зарядом неподвижной заряженной системы отсутствует. Когда же заряженное тело движется относительно проводника с током, то оно создает свое собственное магнитное поле, как всякий движущийся заряд. И это поле взаимодействует с магнитным полем проводника.

Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охва­тывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяже­ния и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притя­гиваться (рис. 90, а).

Магнитные линии двух проводников с токами разных направле­ний в пространстве между проводниками направлены в одну сто­рону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противопо­ложного направления отталкиваются один от другого (рис. 90, б).

Рассмотрим взаимодействие двух параллельных проводников с токами, расположенными на расстоянии а один от другого. Пусть длина проводников равна l.

Читайте также:  Размер груди таблица измерения

Магнитная индукция, созданная током I1 на линии расположе­ния второго проводника, равна

На второй проводник будет действовать электромагнитная сила

Магнитная индукция, созданная током I2 на линии расположе­ния первого проводника, будет равна и на первый проводник действует электромагнитная сила равная по величине силе F2

Билет №26 Магнитные моменты электронов и атомов. Атом в магнитном поле.

Рассматривая действие магнитного поля на проводники с током и на движущиеся заряды, мы не интересовались процессами, происходящими в веществе. Свойства среды учитывались формально с помощью магнитной проницаемости. Для того чтобы разобраться в магнитных свойствах сред и их влиянии на магнитную индукцию, необходимо рассмотреть действие магнитного поля на атомы и молекулы вещества.

Опыт показывает, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов и молекул, положив в основу гипотезу Ампера согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом Рт = ISn, модуль которого (131.1), где /— ev — сила тока; v — частота вращения электрона по орбите; S — площадь орбиты.

Если электрон движется по часовой стрелке (рис. 189), то ток направлен против часовой стрелки и вектор Рт (в соответствии с правилом правого винта) направлен перпендикулярно

плоскости орбиты электрона, как указано на рисунке. С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса Lh модуль которого, согласно (19.1), (131.2), где v — 2ПrV, Пr2 = S. Вектор Lt (его направление также определяется по правилу правого винта) называется орбитальным механическим моментом электрона.

Из рис. 189 следует, что направления Рт и L, противоположны, поэтому, учитывая выражения (131.1) и (131.2), ПОЛУЧИМ где величина называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов (общепринято писать со знаком ≪-≫, указывающим на то, что направления моментов противоположны). Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит значения v и r различны. Формула (131.4) выведена для круговой орбиты, но она справедлива и для эллиптических орбит. Если магнитный момент атомов отличен от нуля, то вещество оказывается парамагнитным. Внешнее магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль в то время, как тепловое движение – разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов атомов вдоль поля. Пьер Кюри (Curie P., 1859-1906) экспериментально установил, что магнитная восприимчивость парамагнетика зависит от температуры согласно закону (закон Кюри):,

где С – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества.

Количественная теория парамагнетизма была разработана Полем Ланжевеном. В упрощенном варианте (не слишком сильных магнитных полей и не слишком низких температур) суть теории Ланжевена сводится к следующему. В магнитном поле атом обладает потенциальной энергией W = — pmBcosθ, которая зависит от угла θ между векторами и . Число атомов в единице объема, магнитные моменты которых направлены в пределах телесного угла dΩ=2πsinθdθ, определяется законом распределения Больцмана: ,где А – нормирующий множитель, определяемый из условия . Эти атомы вносят вклад в проекцию вектора намагничивания на направление внешнего магнитного поля:

Билет №27 Диа- и парамагнетизм

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления

необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В произвольным образом, составляя с ним угол а (рис. 190), то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг В, при котором вектор магнитного момента Рт, сохраняя постоянным угол а, вращается вокруг вектора В с некоторой угловой скоростью.

Рис. 190

Такое движение в механике называется прецессией. Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома [он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов] равен пулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Аи, Си), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнетиками существуют и парамагнетики — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы

беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное иоле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его.

Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик

размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, A1 и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и

поэтому остается незаметным. Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (диполыюй) поляризации диэлектриков с полярными молекулами (см. § 87), только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничивания.

Вывод: Атомы всех веществ являются носителями диамагнитных свойств. Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком.

Источник