Э.Т. Брук, В.Е. Фертман - «Ёж» в стакане. Магнитные материалы - от твердого тела к жидкости (1163240), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

не выдвинул предположение, что ферромагнетизм, основной чертой которого является существование самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, исчезающей выше точки Кюри, обусловлен взаимодействием молекул магнитного вещества. Каково же это взаимодействие? Этого Вейс не знал. Его главное предположение заключалось в том, что результат этого взаимодействия такой же, как если бы отдельная магнитная молекула находилась во внешнем магнитном поле, с тем отличием, что это магнитное поле есть результат воздействия на молекулу со стороны всех остальных молекул вещества. Вейс назвал поле молекулярным.

Откуда же брать его значение? Подход Вейса ие дает полного описания ферромагнетизма. Он содержит параметр, подлежащий определению из сравнения предсказаний теории с результатами экспериментальных измерений. Теория Вейса позволила «объяснить» основные факты ферромагнетизма: спонтанную намагниченность ниже точки Кюри и ее отсутствие при более высоких температурах. Однако количественная информация, поставляемая теорией молекулярного поля, оказалась поразительно неточной. Температура Кюри, которая была хорошо известна из экспериментов (1043К для железа), превосходила значение, предсказываемое полем Вейса, в десятки тысяч раз! Такое расхождение могло обескуражить любого, но Вейс твердо стоял на своем.

«Я думаю, однако,— писал он в заключение своей статьи,— что теория молекулярного поля объясняет так много фактов, что можно быть уверенным, что она содержит значительную часть истины, а данная трудность должна рассматриваться не как возражение теории, а как стимул для поисков новых идей в теории строения этомиэ. Причина неудачи теории Вейса была чрезвычайно схожа с той, которая тормозила исследование магнитных явлений в «доэрстедовский» период, когда электричество и магнетизм существовали в умах исследователей независимо друг от друга.

Вейс предполагал, что взаимодействие молекул имеет магнитную природу. Он уподоблял молекулы магнитным стрелкам, каждая из которых воздействует на другув своим собственным магнитным полем. Магнитные силы чрезвычайно малы, и основанное на них молекулярное поле оказалось на четыре порядка (в десять тысяч раз) меньше того значения, которое требовалось для удовлетворительного согласия теории Вейса с экспериментом. Истинная причина расхождения заключалась вовсе не в ошибочности идей Вейса (дальнейшее развитие науки показало, что они являются приближенными, но верными), она состояла в том, что в основе молекулярного поля лежали не магнитные, а электрические силы.

Снова, как и в опыте Эрстеда, электричество пришло на помощь магнетизму, однако для того, чтобы эта помощь стала эффективной, должен был произойти переворот в физике, в результате которого были выработаны новые взгляды как на строение атома, так и на законы атомного мира.

РАЗЪЯТЫЙ НА ЧАСТИ Хотя электрон был известен с начала ХХ в., его роль в атомной структуре долгое время оставалась неясной. Конечно, проще всего было предположить, что электроны входят в состав атомов. Но электроны, как было извест- 20 но уже тогда, обладают отрицательным зарядом, в то время как атомы нейтральны. Следовательно, отрицательный заряд электронов должен компенсироваться положительным зарядом. Зарядом чего? Конечно, ядра, с уверенностью скажет сегодняшний школьник. Такой уверенности не хватало, однако, величайшим ученым начала века. Одна из моделей атома выглядела так: электроны плавали в положительно заряженном «желе».

Что это за желе, в модели не уточнялось. Тайну положительного заряда удалось открыть английскому физику Резерфорду. Обстреливая различные вещества альфа- частицами (так называют ядра атома гелия), он обнаружил, что эти частицы отклоняются от первоначального направления на значительные углы, а некоторые из них отлетают назад, как если бы они натолкнулись на внушительное препятствие. Если бы атом действительно представлял собой электроны, взвешенные в «желе», картина должна была быть совершенно иной — ведь размазанное по всему объему атома «желе» вряд ли посылало бы тяжелые альфа-частицы назад.

Резерфорд сделал вывод: положительный заряд атома сосредоточен в центре, причем в этом центре, получившем название «ядра», сосредоточена основная масса атома. «Желе» немедленно удалили из атомной кухни. Атом оказался похожим на привычную планетарную систему: солнце- ядро в центре с вращающимися вокруг него планетами-электронами. Что следовало из новых представлений об атоме для магнетизмами Ампер утверждал, что причиной магнетизма являются круговые токи внутри магнита. Электрон вращается вокруг ядра. Не есть ли это именно тот «круговой ток», о котором говорил Ампер7 Если рассматривать движение электрона по плоской замкнутой орбите как вращение по кругу вокруг ядра, в результате которого возникает «петля с током», можно рассчитать поле этого тока, или, как его называют еще, магннтний момент: М = — '5, где ~ — ток в «петле»; с — скорость света; 5— площадь, охватываемая контуром, через который протекает ток.

Эта площадь равна яг2, где г — радиус орбиты. Чтобы продвинуться дальше, нам придется вспомнить некоторые понятия классической механики, относящиеся к вращательному движению. Во-первых, нам понадобится угловая скорость и, при равномерном движении по окружности равная углу, описываемому радиусом-вектором частицы (вектором, соединяющим центр окружности с частицей) в единицу времени. Обратно пропорциональная угловой скорости величина Т = = 2к/и называется периодом вращения. Роль массы во вращательном движении играет момент инерции.

Для точки, вращающейся по окружности, он равен произведению массы на квадрат радиуса: 1= иг~. Наконец, момент импульса равен произведению момента инерции на угловую скорость: 1 =!и. Теперь можно установить связь между характеристикой механического движения электрона по круговой орбите и магнитным моментом, который возникает в результате этого дви- жения. Заметим, что «ток», бегущий по орбите, равен ~=в/Т, где е — заряд электрона.

Собирая все воедино, выразим магнитный момент электрона через его момент импульса: Этот магнитный момент называется орбитальным: ведь он возникает при движении электрона по орбите. Из этого выражения следует такой вывод: отношение магнитного момента к моменту импульса ие зависит от орбиты и определяется только универсальными постоянными: массой и зарядом электрона и скоростью света. Дальнейшая проверка подтвердила правильность этого соотношения, что явилось сильным аргументом в пользу планетарной модели. Однако в ней выявился другой недостаток, который не был связан с моделью как таковой. Этот недостаток связан с классической механикой. Было известно, что электрон, движущийся с ускорением, должен излучать электромагнитные волны. Такое излучение неизбежно вело бы к потере энергии, и по прошествии некоторого времени электрон должен был бы упасть на ядро.

Движение по окружности — это движение с ускорением, поскольку скорость при этом постоянно меняет направление, а изменение скорости как раз и называется ускорением. Иначе говоря, планетарная модель должна быть неустойчивой. Другие указания на несовершенство планетарной модели вытекали из данных, полученных яа основе спектроскопических исследований. Изучая спектры света, излучаемые различными веществами, ученые обнаружили, что частоты этого излучения дискретны. Была проделана огромная работа по изучению этих спектров, обнаружена определенная система в расположении спектральных линий, которые так же безошибочно указывали на определенное вещество, как отпечатки пальцев— на человека. И все-таки природа дискретности была непонятна. И в самом деле, если бы электрон излучал энергию, спускаясь с более «высокой» орбиты на более «низкую» и величина ее, пропорциональная частоте света, зависела от разности энергии орбит, то множество электронов во множестве атомов могло бы переходить с самых различных орбит на другие, также отличающиеся друг от друга, и спектр должен был быть иенрерывным.

Между тем дискретность спектра была несомненной. Дело обстояло так, как если бы электроны могли занимать не любые орбиты, а только определенные. Выход из создавшегося тупика указал в 1913 г. датский физик ~4ильс Бор. Он допустил, что в атоме есть орбиты, находясь на которых электрон не излучает. Новая и неожиданная идея Бора положила начало квантовой механике. Оказалось, что момент импульса электрона в атоме может меняться только определенными порциями— квантами. «Стоимость» порции была строго определенной и равнялась величине, называемой постоянной Планка и обозначаемой Й.

Момент импульса определялся выражением п~Ь, где п~ — целое число. Отсюда следовало, что и орбитальный магнитный момент электрона может принимать фиксированные значения. Множитель е/2тс, связывающий два момента и умноженный на величину В = Й/2я, получил название магнетона Бора: цв —— ей/2пс. Эта величина служит единицей измерения в мире магнитных моментов. Дальнейшее развитие квантовой механики, связанное с именами Гейзенберга,,Шредингера, Дирака, Де Бройля, Бориа, Френкеля, Фока, Ландау и многих других, полностью перевернуло мир классических представлений. Оказалось, что не имеет смысла говорить о положении частицы в данной точке, а следует рассматривать лишь вероятность ее нахождения в этой точке.

Появился принцип неопределенности, выдвинутый Гейзенбергом, который утверждал, что нельзя одновременно и сколь угодно точно измерить координату и импульс частицы; ошибки в их измерении — Лх и Лр — связаны соотношением ЛхЛр ) В/2. Соотношение неопределенностей отражало факт, что частицы микромира (а к ним, разумеется, относится электрон) чрезвычайно малы по сравнению с приборами, применяемыми для их исследования, и измерение чего бы то ни было, относящегося к частице, оказывает влияние на ее состояние, изменяет его. В результате пришлось отказаться от самого понятия орбит в атоме и говорить лишь о некоторых состояниях электронов. Все новые идеи имели важное значение для понимания природы магнетизма, но особенно значительным оказалось открытие свана электрона.

Характеристики

Список файлов книги