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 μ. 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.
Для качественного объяснения магнитных явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, и поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом (см. (1.2)) р m= IS n, модуль которого
рm = IS = enS, (21.1)
где I = e n – сила тока, n – частота вращения электрона по орбите, S – площадь орбиты. Если электрон движется по часовой стрелке (рис.21), то ток направлен против часовой стрелки и вектор р m, в соответствии с правилом правого винта направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона.
Рис.21 С другой стороны, движущийся со скоростью v по орбите ра диуса r электрон массой m обладает механическим моментом
импульса L e, модуль которого
L e= mvr = 2 mnS, (21.2)
где v = 2πn r, πr 2= S. Вектор L e, направление которого также подчиняется правилу правого винта, называется орбитальным механическим моментом электрона. Из рис. 21 следует, что направления р m и L e, противоположны, поэтому, учитывая выражения (21.1) и (22.2), получим
р m= – e L e/2 m = – g L e, (21.3)
где величина g = е /(2 m) называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов. Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты (круговой и эллиптической), хотя для разных орбит значения v и r различны.
Экспериментальное определение гиромагнитного отношения привело к значению g s= е / m, которое оказалось в два раза большим, чем введенная выше величина g. Для объяснения этого результата, имевшего большое значение для дальнейшего развития физики, было предположено, а впоследствии доказано, что кроме орбитальных моментов р m и L e электрон обладает собственным механическим моментом импульса L es, называемым спином. Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси, что привело к целому ряду противоречий. В настоящее время установлено, что спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину электрона L es соответствует собственный (спиновый) магнитный момент
р ms= – g s L es. (21.4)
Величина g s называется гиромагнитным отношением для спинового момента.
В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома, следовательно, слагается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра (обусловлен магнитными моментами входящих в ядро протонов и нейтронов). Однако магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими пренебрегают. Таким образом, общий магнитный момент атома (молекулы) р а, равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:
р a = S р m + S р ms. (21.5)
