Атомның магниттік моменті

Жоспар
Кіріспе

1 Орбиталдық магниттік моменті
2 Спиндік магниттік момент
3 Атомның толық магниттік моменті.
4 штерн және герллх тәжірибесі
5 Электрон спині
6 Атом құрылысы және оның спектрлері

Сілтілік металдардың спектрлері сыртқы (валенттік) элек¬трон энергетикалық деңгейге ауысқанда шығарылады. Бұл жағынан сілтілік металдардың спектрлер шығаруы, сутегі атомының спектріне ұқсас. Бірақ сутегі атомының спектрлерінен айырмашылықтары бар. Ол айырмашылықтар, біріншіден, сутегі атомының энергетикалық денгейлеріне қарағанда сәйкес деңгейлер жоғарырақ орналасқан. Екіншіден — деңгейлер бір-біріне қарағанда ығысқан. Мысалы Na үшін негізгі күй 3s болып табылады. Егер натрий атомы қозса, 3s күйдегі электрон Зр, 3d, 4s, 4р тағы басқа сол сияқты күйлерге өте алады. Сонымен қатар, шығарылатын спектрлер сериялары кванттық сан l-гe де байланысты болады. Мысалы, Зр—-3s ауысу кезіндегі шығатын спектр екі сызықтан тұрады. Олардың толқын ұзындықтары: 5890 және 5896 А. Бұл сызықтар жұқа құрылым деп аталады. Ал бірнеше компоненттерден тұратын күрделі сызықтар мультиплеттер деп аталады. Спектрлік сызықтардың жіктелуі энергетикалық деңгейлердің жік телуімен байланысты. Соның ішінде электронның спиніне байланысты.

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 12 бет
Таңдаулыға:

1.1. Атомның магниттік моменті
Орбиталдық магниттік моменті. Атомның L механикалық моментімен
магниттік момент байланысқандығы бұрын айтылған болатын. Сутегі атомындағы
электронның орбиталық қозғалысынан пайда болатын η-дің L-мен байланысы үшін
классикалық өрнек алынған болатын. Кванттық теорияда η және L шамаларын ή
және Ĺ операторларымен алмастыру қажет:
(1)

Осыдан электронның магниттік моментінің қасиеттерін зерттеу ή және Ĺ
операторларының қасиеттерін зерттеуге келтірілетіндігі көрінеді. ή және Ĺ,
және операторларының бір-бірінен айырмашылығы тек тұрақты көбейткіш
болатындықтан, бұлардың қасиеттері өте ұқсас: магниттік және механикалық
моменттер бірдей ережелер бойынша квантталады.
Стационарлық күйде тек η L магниттік моменті модулінің және оның кез
келген Z өсіне проекцияларының біреуінің нақты мәндері болады. (1) және
өрнектерін еске алып
ή және операторларының меншікті мәндерін жазамыз:
(2)
(3)
мұндағы - Бор магнетоны:
Ол магниттік момент
квантының ролін атқарады.
Атап өтетін нәрсе:
Магниттік моменттің механикалық моментке қатынасы, яғни
(4)
гиромагниттік қатынас деп аталады; жоғарыда келтірілген формулалардағы -
таңбасы және векторлары бағыты бойынша өзара қарама-қарсы
болатындығына нұскайды.
Спиндік магниттік момент және оның кез келген z өсіне проекциясы былай
анықталады.

(5)
(6)

Электронның спиндік магниттік моменті бір Бор магнетонына тең деп айту
қабылданған. Бұлай айту мынаған байланысты: магниттік моментгі өлшегенде
эдетте оның проекциясы өлшенеді, ал ол бір -ға тең.
Атомның толық магниттік моменті. Спиннің екі еселенген магнетизмі
салдарынан толық моменттердің гиромагниттік қатынасы едәуір күрделенеді.
Ол L, S және J кванттық сандарына тәуелді болады. Кванттық теорияда
жүргізілген тиісті есептеу η магниттік моменті және оның z өсіне
проекциясын табуға мүмкіндік берді:

(7)

(8)

(9)

1.2 штерн және герллх тәжірибесі
Біз электронның, орбиталық моментінің сыртқы магнит өрісінде кеңістіктік
квантталғандығын қарастырдық. Бор теориясы бойынша ондай квантталу болмауы
керек, орбиталық момент кеңістікте әр түрлі, кез келген бағытта болып, әр
түрлі мәндер қабылдауы қажет. Міне, бұл Бор теориясының кванттық
механиканың қорытындыларымен қайшылықтарының бірі. Бұл қайшылық не себептен
болады деген сұрақ туады. 1922 жылы қойылған О. Штерн және В. Герлах
тәжірибесінің мақсаты әр түрлі химиялық элементтердің
(10)

— электрон массасы, е. — электрон заряды) магниттік моменттерін өлшей
отырып, орбиталық, және магниттік моменттерінің квантталуын зерттеу болды.
Өлшеулерді жүргізу үшін Менделеев таблицасының бірінші группасындағы
химиялық элементтердің атомдарын қарастырды. Себебі, бұл группадағы
элементтердің атомдарының сыртқы валенттік қабатында бір валенттік
электрондары болады, ал қалған ішкі қабаттардағы электрондардың орбиталық,
және магниттік моменттері бір-бірімен өзара компенсацияланған. Сонда
тәжірибеде, тек бір валентті электронның магниттік моментін өлшесе болғаны:
(11)
Мұндағы В — магнит өрісінің индукциясы, Ғ — магнит өрісінде зарядталған
бөлшекке әсер етуші күш, бөлшектердің z өсінің бойымен ауытқуы
қарастырылады. Штерн және Герлах тәжірибесінің схемасы-суретте берілген. А
атом көзінен, белгілі бір температураға дейін қыздырған кезде, күміс
атомдары ұшып шығады. Әдейі формада істелген NS — электромагнит көмегімен
күшті біртексіз магнит өрісі В алынады.
Күшті біртексіз магнит өрісінен өткен күміс атомдары Ф фотопластинкаға
соғылады. Егер атомның орбиталық, магннттік моменттері магнит өрісінде әр
түрлі кез келген мәндерді қабылдайтын болса, күміс атомдары фотопластинка
да негізінен орта жернде шоғырланған болар еді. Күміспен және бірінші
периодтағы басқа элементтердің атомдарымен жүргізілген тәжірибелер,

атомдардың магнит өрісінде екіге бөлінетінін көрсетті, яғни қарастырылып
отырған атомдардың магниттік моментінің бағдарлану мүмкіндігі екеу екенін
көрсетті. Алдыңда айтып кеткендей, Штерн және Герлах тәжірибелерінде сыртқы
I валентті электронның, магниттік моментін өлшеген:

Бор магнетоны
деп аталатын тұрақты шама. Атомдардың және электронның магниттік
моменттері Бор магнетонымен беріледі.
Тәжірибеден dBdz мәні белгілі, ал F күшін атомдардың ауытқуы арқылы
өлшеп, (11) формуласынан берілген элемент атомдарының, дәлірек айтсақ,
электрондарының магниттік моменті табылған. Штерн және Герлах атомның
магниттік моментінің магнит өрісіне проекциясы сан жағынан Бор магнетонына
тең екенін тапқан. Міне, сөйтіп Штерн және Герлах тәжірибелері электрондар
мен атомдардың импульс моменттерінің (магниттік моменттерінің) сыртқы
магнит өрісінде дискреттік квантталған мәндерді қабылдайтынын және магнит
моментінің сандық мәні Бор магнетонына еселі болғанын практика жүзінде
дәлелдеді.

1.3 Электрон спині
Сонымен Штерн және Герлах тәжірибесіндегі алынған элементтер атомдарының
күйін қарастырайық. Менделеев таблицасының I группасындағы элементтердің
электрондары s, яғни орбиталдык импульс моменті ι = 0 күйде болады. Сонда,
тәжірибеде өлшеніп алынған қандай импульс моменті (магниттік момент) деген
сұрақ туады?
Бұл сұракка жауап беру үшін 1925 жылы Д.Уленбек және С.Гаудемит
электронның орбиталық импульс моментімен қатар меншікті механикалық импульс
моменті болады деп есептеді. Оны спин деп атады (ағылшын тілінен
аударғанда ұршық) және оған байланысты пайда болатын меншікті магниттік
момент болады. Ал меншікті механикалық импульс моменті,
яғни спин қалай пайда болады? Әуелгі кезде Уленбек және Гаудемит спин
электрон-шариктін өз өсінен айналуынан пайда болады деген жорамал айтты.
Бірак кейіннен, келесі жай есептеулердің нәтижесі бұл жорамал дұрыс емес
екенін дәлелдейді. Лоренцтің есептеуінше электрон радиусы
Салыстырмалық теориясы бойынша жарық жылдамдығынан артық жылдамдық
болмауға тиіс, яғни электрон-шариктің өз өсінен айналуы туралы жорамал
дұрыс емес екен. Қазіргі көзқарастарга қарағанда спин дегеніміз электронның
кеңістіктегі қозғалысына байланыссыз, өшпейтін өзіне тән механикалық
моменті. Спин-электронның массасы, заряды сиякты касиетті. Кванттық
механика зандары бойынша спин де квантталған; яғни дискреттік мәндерге ие
болуы керек, әрекет квантының бірлігімен өлшенеді.

(13)
мұндағы s — кванттық сан спиндік кванттық сан деп аталады. Сонда, Штерн
және Герлах тәжірибесіндегі сыртқы магнит өрісі бағытымен бағыттас z өсіне
түсірілген спиннің проекциясы болады да, магнит өрісінде векторы 2s+l әр
түрлі багытта бағдарлана алады, яғни электронның, бағдарлануы екі бағытта:
2-s+l -=2. Сонда s = яғни берілген магнит өрісінің бағытына
проекциясы
(14)

мұндағы — магниттік спиндік сан. Тәжірибедегі бағдарлану
екі бағытта = ±12. Бір электрондардың спині +

ал енді біреулерінің спині-болады екен.
Басқа да элементар бөлшектер — протон, нейтрон мсзондардың да спиндері
болады. Жартылай тақ, спинді бөлшектері фермиондар (электрон, протон,
нейтрон және т. с. с), ал спині жоқ немесе жұп спинді ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.