Теория магнетизма - Маттис Д.
Скачать (прямая ссылка):
магнитном поле. Существование электрона было провозглашено на
Международном физическом конгрессе в Париже в 1900 г., и XX столетие
благодаря открытию электрона стало свидетелем решения одних проблем,
вызвавших немедленное возникновение других J).
В то время большое внимание привлекали спектральные линии, излучаемые
раскаленными газами, так как их дискретная структура на одила на мысль,
что только флюиды, составляющие атомы, могут поддерживать определенные
хорошо известные частоты колебаний. В 1896 г. Зееман показал, что
спектральные линии могут быть разложены на ряд мулътиплетов, если
излучающие атомы находятся под влиянием сильных магнитных полей. Этот
эксперимент имед катастрофические последствия для различных гипотез об
атомной структуре, которые появлялись в связи с экспериментальными
наблюдениями, например в связи с наблюдением Кельвина. О своей
"гиростатической" модели атома как электрифицированного кольца, сам
Кельвин в 1899 г. был вынужден написать эпитафию:
"Никакие упрощающие предположения, касающиеся характера молекул, такие,
как симметрия сил и моментов инерции вокруг оси, не могут привести к
нормальному эффекту Зеемана, состоящему в расщеплении линии на две, с
круговой поляризацией в противоположных направлениях, когда свет проходит
через спектрограф в направлении, параллельном магнитному полю, и в
разделении каждой линии на три плоско поляризованные линии, когда
направление света перпендикулярно магнитному полю. Поэтому, хотя с 1856
г. вплоть до последнего временп я был совершенно уверен в том, что моя
старая заманчивая гиростатическая гипотеза достаточна для объяснения
магнито-оптического явления Фарадея, теперь в свете последних
исследований Зеемана я отказываюсь от нее" [23].
Учитель Зеемана - голландский теоретик Хендрик Антон Лоренц (1853-1928)
дал первую удовлетворительную теорию явления Зеемана. Он основывался на
электронной теории. (Позднее он расширил свою электронную теорию и создал
физическую основу всей электродинамики. "Приведенное им здесь соображение
весьма примечательно,-писал Зоммерфельд,-он ввел лишь одну концепцию,
которая сохраняет свое значение в созданной позднее теории
относительности" [24].) Наиболее существенна для нашей
9 Более подробный рассказ о рождении электрона можно найти в книге
Андерсона [22].
ЭЛЕКТРОН
37
цели предложенная Лоренцом и носящая его имя формула для силы, с которой
электрическое и магнитное поля действуют на (нерелятивистскую) частицу с
зарядом е, движущуюся со скоростью v:
В теории эффекта Зеемана Лоренц допускает, что электрон удерживается в
атоме упругой силой (характеризуемой постоянной К), а слабое магнитное
поле Н(~В) направлено по оси z. Таким образом, уравнение движения Ньютона
(с учетом формулы Лоренца для силы) имеет вид
Движение электрона в направлении оси z носит характер колебаний и
совершается с невозмущенной частотой сй0:
но в перпендикулярном направлении имеется сдвиг частоты
Разные знаки соответствуют вращению электрона по или против часовой
стрелки в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.
Если этот сдвиг приравнять ширине наблюдаемых расщеплений, то получается
значение отношения elm, установленное в экспериментах с катодными лучами,
однако отличающееся множителем 2. Этому множителю не находили объяснения
еще добрых четверть века.
Тепловые свойства магнитных веществ впервые были систематически
исследованы Пьером Кюри (1859-1906), который установил закон для
восприимчивости х парамагнитных веществ
Константа Кюри С имеет различные (положительные) значения, зависящие от
материала; температура Т измеряется от абсолютного нуля.
В диамагнитных веществах Кюри обнаружил небольшое изменение
(отрицательной) восприимчивости по мере изменения температуры. Во всех
ферромагнитных веществах он обнаружил относительно крутое падение
намагниченности с температурой по мере удаления температуры от
критического значения, известного теперь под названием точки Кюри; выше
этой температуры ферромагнетики ведут себя совсем как обычные
парамагнитные веще-
(И)
тт = F = -Кг ф-гхН.
с
(12)
(13)
A fifl
Аса х ± (допустив, что Аса < са0). (14)
38
1. ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА И ЕЕ ИСТОРИЯ
ства [25]. Хотя большинство из этих результатов для отдельных веществ
было уже известно, широта и количественная точность исследований Кюри и
формулировка им общих законов придали его исследованиям особое значение.
Спустя десятилетие после экспериментов Кюри в знаменитой статье Поля
Ланжевена (1872-1946) диамагнетизм был объяснен как естественное развитие
электронной теории Лоренца для эффекта Зеемана [26]. По Ланжевену,
диамагнетизм есть лишь другой аспект эффекта Зеемана. Не входя в детали
его вычислений, мы можем просто заметить, что это явление совершенно
естественно содержится в одном из уравнений Максвелла; уравнения (6) и
(7) указывают на то, что при включении магнитного поля появляется
электрическое поле; оно ускоряет электрон, давая нарастающую токовую
