Элементарные носители магнетизма

Атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Согласно постулатам Бора электроны в атомах движутся по стационарным круговым орбитам, создавая орбитальный ток и, следовательно, связанный с ним орбитальный магнитный момент. Через площадку , расположенную перпендикулярно к траектории движения электрона переносится заряд в единицу времени, равный орбитальному току , где и — частота и период вращения электрона по орбите. Определим период вращения, разделив длину окружности орбиты на скорость движения электрона . Тогда выражение для орбитального тока можно записать в следующем виде

.

Орбитальный ток направлен в сторону противоположную движению электрона, так как заряд электрона отрицателен. Связанный с орбитальным движением электрон обладает магнитным моментом

,

где — площадь, обтекаемая орбитальным током, и механическим моментом импульса

( — масса электрона). Направление вектора образует с направлением тока правовинтовую, а с направлением движения электрона левовинтовую систему. Направление вектора механического момента импульса образует с направлением движения электрона правовинтовую систему. Следовательно, направления векторов и противоположны (см. рисунок).

Отношение магнитного момента элементарной частицы к ее механическому моменту импульса называется гиромагнитным отношением. Для орбитального движения электрона оно равно

(знак минус указывает на то что, что направления моментов противоположны).

Кроме орбитального электрон имеет еще собственный механический момент импульса — спин электрона (to spin — вращаться), так как первоначально пытались его объяснить вращением электрона вокруг своей оси. Сейчас считают собственный механический момент импульса — спин электрона неотъемлемым свойством электрона. Максимальное значение проекции спина электрона на выделенное в пространстве направление, например на направление внешнего магнитного поля , где — приведенная постоянная Планка. Спину электрона соответствует собственный магнитный момент, причем гиромагнитное отношение для спина ровно в два раза больше, чем для орбитального момента

.

Тогда максимальная проекция собственного магнитного момента электрона на какое-либо направление . Эту величину магнитного момента называют магнетоном Бора, т. е. .

Выражения гиромагнитных отношений для орбитального и собственного момента импульса электрона можно объединить

,

где — называется фактором Ланде, для орбитального момента импульса и для спина электрона.

Магнитный момент атома или молекулы равен геометрической сумме магнитных моментов всех электронов, входящих в состав этого атома или молекулы. Магнитный момент ядра атома значительно меньше моментов электронов, поэтому им можно пренебречь. Измеряя гиромагнитное отношение для какого-либо вещества, можно судить о том, какой тип магнетизма (орбитальный или спиновой) играет главную роль в этом веществе. Такие опыты были проведены в 1916 г. Эйнштейном, де Хаасом и Барнеттом.