Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://kvant.mccme.ru/pdf/2001/05/05.pdf Дата изменения: Fri Dec 23 19:26:32 2005 Дата индексирования: Tue Oct 2 00:30:05 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: п п р п р п р п р п р п р п р п р п

СВЕРХ

...

5
(Заметим, что в СИ формула для силы Лоренца имеет другой вид:

же гауссовой системой единиц.4 Единица названа в честь немецкого физика Карла Фридриха Гаусса (1777 1855). По-видимому, гаусс маленькая единица, если, для того чтобы магнитное поле было сверхсильным, нужно поле индукцией в миллион гаусс. В Международной системе единиц (СИ) пользуются более крупной единицей для измерения магнитного поля тесла (Тл): 1 Тл = = 10 4 Гс. Эта единица получила название в честь Никола Тесла (1856 1943) сербского ученого в области электро- и радиотехники. Слово 'сильный', а тем более 'сверхсильный', имеет эмоциональную окраску. Словосочетание 'сильное магнитное поле' вызывает в моей памяти рисунок из какой-то скорее всего научно-популярной книжки: магнитный подъемный кран поднимает автомобиль. Особенно большое впечатление на меня производил рисунок после того, как я понял, что магнетизм квантовое свойство.5 'Квант', 'квантовый' эти термины воспринимались как нечто, относящееся к атому, к субатомной частице, а тут магнит, да еще поднимает автомобиль! Однако оказывается, что магнит, способный удержать тонну металла, должен создать отнюдь не сверхсильное магнитное 4 поле: достаточно всего 10 Гс! Теперь от магнитного подъемного крана перейдем к микроскопическим магнитикам к электронам, протонам, нейтронам. Каждый из них создает вокруг себя свое магнитное поле. Мерой способности электрона создавать магнитное поле служит магнетон Бора, или магнитный момент электрона,
чe = eD 2 me c , = 09 10
-20

оценивать с помощью ядерного магнетона eD -24 эрг Гс , ч яд = = 5 10 2m p c где m p масса протона. Ясно видно, что из-за сравнительно большой массы нуклона магнитные моменты протона и нейтрона во много раз меньше магнитного момента электрона. Есть интересные и важные явления, обязанные магнетизму нуклонов, но наиболее существенную роль в физике магнитных явлений играют электроны. Такие явления, как ферро- и антиферромагнетизм, электронного происхождения. Как известно, при удалении от магнитного диполя созданное им магнитное поле убывает обратно пропорционально кубу расстояния от диполя. Правда, кроме того, магнитное поле зависит от направления по отношению к диполю (не надо забывать, что магнитный диполь вектор, который характеризуется не только величиной, но и направлением). Выбрав направление таким, чтобы магнитное поле было максимальным, можно оценить величину магнитного поля на атомном расстоянии от электрона. Мерой атомного расстояния служит радиус Бора (см. Бора радиус) 2 D 8 , a0 = = 05 10 - см , 2 me e тогда магнитное поле на расстоянии a0 от электрона будет чe 4 B ; 3 ;10 Гс . a0 Скажем откровенно, эта величина мало что характеризует: магнитные поля, создаваемые отдельными микрочастицами, имеют, как правило, совершенно случайные направления; складываясь, они либо компенсируют друг друга, либо усиливают. Результат какое магнитное поле создает тело и создает ли оно его на макроскопических расстояниях зависит от строения тела, в состав которого входят микрочастицы. Наличие у микрочастиц заряда e и магнитного момента ч делает их чувствительными (восприимчивыми) к магнитному полю. В магнитном поле B на всякую заряженную дви жущуюся со скоростью v частицу действует сила Лоренца
FЛ =


FЛ = e [v B] .) Под действием этой силы частица (для определенности, электрон) вращается в плоскости, перпендикулярной B . Каждый вращающийся электрон обладает магнитным моментом, направленным против магнитного поля. Энергия движения электрона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, квантуется. Разность энергий & соседних уровней есть eDB m c . Но, кроме того, как мы уже говорили, электрон обладает собственным магнитным моментом. Собственный магнитный момент электрона ч e ориентируется либо по магнитному полю, либо против. Разность энергий двух





ej

ориентаций равна 2ч e B = eDB me c . & Если m и me не слишком отличаются друг от друга, то величина
eDB me c может служить энергетической мерой воздействия магнитного поля на любую атомную систему. & Если же m ? me (как мы говорили, такое бывает в некоторых полупроводниках и полуметаллах), то роль магнитного поля больше, чем можно было бы думать, руководствуясь оценкой, получаемой при использовании массы свободного электрона. Основные силы, действующие между электронами и ядрами в атомах, это силы электростатического притяжения и отталкивания. Им соответствует энергия порядка e 2 a . Каково должно быть магнитное поле, чтобы соответствующая ему энергия превышала электростатическую? Сравним 2ч e B и e 2 a , подставив значение боровского радиуса: 2ч e B > e
2

ch

ch

эрг Гс ,

(отметим, что в единицах СИ в формуле отсутствует с), а магнитные моменты протона и нейтрона удобно
4 В этой статье автор использует гауссову систему единиц, незнакомую большинству наших читателей. Эта система отличается от привычной СИ не только наименованиями и значениями единиц измерения физических величин, но и написанием многих формул. Однако мы решили в виде исключения сохранить привычную для автора и вообще для физиков-теоретиков систему единиц, чтобы читатель получил более глубокое представление о 'кухне' теоретической физики. (Прим. ред.) 5 См. книгу М.И.Каганова и В.М.Цукерника 'Природа магнетизма' (Библиотечка 'Квант', выпуск 16, 1982 г.).
3 Квант ? 5

a

,
0

если
B > Bат = me e c D
3 23

, = 235 10 Гс ! .

9

bg

Таким образом, сверхсильное магнитное поле должно существенно сказываться на структуре атомов, молекул, твердых тел. Сделаем еще один шаг в сторону бульших магнитных полей. Запишем электростатическую энергию
2 4 2 e a0 = e me D несколько иначе. Умножим числитель и знаменатель правой части последнего равенства

e c

[v B] .