Экспериментальные методы определения магнитного момента

§ 5.8.  Экспериментальные методы определения магнитного момента.

1. Опыт Штерна – Гербаха.

В 1921 году Штерн предложил опыт по измерению магнитного момента атома, который и реализовал с Гербахом в 1922 году. Суть опыта заключалась в  следующем. Пучки  нейтральных

атомов пропускались через область в которой создавалось неоднородное магнитное поле. В нём двигались атомы. На экране Э наблюдалось расщепление пучка на две части. Первые опыты проводились с атомами серебра. Для одного внешнего электрона имеем: ,  и . Тогда .  Введём вектор . Тогда на магнитный момент будет действовать сила , сила, действующая вдоль оси : . Вычислим смещение атома под действием силы  вдоль оси . По законам кинематики имеем: , где . С учётом того, что  выражение для  принимает вид: . Из рисунка 59 видно, что  (1). Найдём . , , . Подставим в (1) выражения для  и : . Найдём из этой формулы : . Направление силы зависит от значения проекции магнитного момента. Так как значение проекции магнитного момента может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то и сила будет действовать то вверх, то вниз. Число компонент, на которые расщепится пучок, зависит от проекции магнитного момента. Зная величину расщепления и значение , Штерн и Гербах определили значение магнитного момента: . Или, с учётом последней формулы,  Впоследствии, когда ставили опыты с атомами водорода, оказалось, что пучок нейтральных частиц расщепляется также надвое. Так как у атома водорода орбитальный момент равен нулю, то его магнитный момент обусловлен лишь спиновым движением электрона, то есть , . Отсюда можно найти спин.

2. Метод магнитного резонанса.

Рекомендуемые материалы

В данном методе пучок атомов проходит через систему магнитов, причём магнит А создаёт неоднородное магнитное поле, магнит С – однородное, а магнит Д – снова неоднородное. Между магнитами А и С устанавливали диафрагму , которая вырезала некоторый тонкий луч атомов.  Источник находился на одной прямой с диафрагмой. Через диафрагму проходили атомы, двигавшиеся в начальный момент времени под углом к оси . Однородное магнитное поле, создаваемое магнитами С. не отклоняет нейтральную частицу. Неоднородное магнитное поле, создаваемое магнитами Д, отклонит частицу и она попадёт в приёмник. В однородном магнитном поле  магнитные моменты атомов будут прецессировать с частотами , где . Однако при этой прецессии угол между магнитным моментом и индукцией магнитного поля не изменяется. Если в области однородного магнитного поля С создать дополнительное магнитное поле, частота изменения которого совпадает с частотой прецессии  атома , и вращение происходит в том же направлении, что и прецессия (ортогональном ), то, вследствие взаимодействия полного магнитного момента атома  и вектора магнитной индукции этого поля , возникает дополнительный момент сил: , который будет стремиться изменить угол между  и . Так как частота изменения  совпадает с частотой прецессии  атома , и вращение происходит в том же направлении, что и прецессия, взаимное расположение  и  не меняется, и, следовательно, момент сил, стремящийся изменить угол между  и  будет действовать всегда в одном и том же направлении. Если же вращение дополнительного магнитного поля и прецессия происходят в противоположный направлениях, то момент сил половину времени стремиться увеличить угол между  и , а половину времени – стремиться уменьшить его. В среднем никакого эффекта наблюдаться не будет. То же самое будет происходить, если направления вращений совпадают, а частоты не совпадают.

Если при прохождении однородного магнитного поля  угол между магнитным моментом атомов и направлением магнитного поля изменяется, то траектория атомов в неоднородном поле тоже изменяется. Следовательно не все атомы попадут в приёмник. Тогда, если снимать зависимость числа атомов, которые попали в приёмник от частоты вращения, мы  получим  следующую  зависимость  (см. рис. 61).  То  есть  при некоторой частоте вращения

В лекции "Диагностика и психоинформационное излучение" также много полезной информации.

число атомов будет минимальным. Это явление наступает если , тогда . Вместо вращающегося магнитного поля, можно пользоваться линейно осциллирующим магнитным полем. Его можно представить как суперпозицию двух полей, вращающихся в противоположных направлениях (см. рис. 62).

Рассмотрим данное магнитное поле с квантовой точки зрения. Переменное электромагнитное поле эквивалентно наличию квантов электромагнитного излучения с частотой . Эти кванты могут быть поглощены атомом, и тогда в магнитном поле его энергия изменится на . При изменении энергии атома происходит его переориентация в пространстве, то есть . Эта потенциальная энергия равна: , то есть изменение проекции магнитного момента на заданное направление, или . Но так как существуют правила отбора: , то

                                                               .

Очевидно, что поглощение и испускание атомами квантов происходит наиболее интенсивно в тех случаях, когда энергия квантов  дополнительного поля равна энергии возможной переориентировки атомов, то есть .