§ 8. Магнитная энергия атомов
Теперь я снова хочу поговорить о магнитном моменте. Я уже говорил, что в квантовой механике магнитный момент атомной системы может быть связан с моментом количества движения соотношением (34.6):
, (34.27)
где
- заряд, a
- масса электрона.
Атомные магнитики, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретут дополнительную магнитную энергию, которая зависит от компоненты их магнитного момента в направлении поля. Мы знаем, что
. (34.28)
Выбирая ось
вдоль направления поля
, получаем
. (34.29)
А используя уравнение (34.27), находим
.
Согласно квантовой механике, величина
может принимать только такие значения:
. Поэтому магнитная энергия атомной системы не произвольна, допустимы только некоторые ее значения. Например, максимальная величина энергии равна
.
Величину
обычно называют «магнетоном Бора» и обозначают через
:
.
Возможные значения магнитной энергии будут следующими:
,
где
принимает одно из следующих значений:
.
Другими словами, энергия атомной системы, помещенной в магнитное поле, изменяется на величину, пропорциональную полю и компоненте
. Мы говорим, что энергия атомной магнитной системы «расщепляется магнитным полем на
уровня». Например, атомы со спином
, энергия которых вне магнитного поля равна
, в магнитном поле будут иметь четыре возможных значения энергии. Эти энергии можно изобразить на диаграмме энергетических уровней наподобие фиг. 34.5. Однако энергия каждого атома в данном поле
принимает только одно из четырех возможных значений. Именно это говорит квантовая механика о поведении атомной системы в магнитном поле.

Фиг. 34.5. Возможные магнитные энергии атомной системы со спином 3/2 в магнитном поле
.
Простейшая «атомная» система - отдельный электрон. Спин электрона равен 1/2, поэтому у него возможны два состояния:
и
. Для спинового магнитного момента отдельного покоящегося электрона (у которого отсутствует орбитальное движение)
, так что магнитная энергия будет
. На фиг. 34.6 показаны возможные энергии электрона в магнитном поле. Грубо говоря, спин электрона направлен либо «вверх» (по магнитному полю), либо «вниз» (против поля).

Фиг. 34.6. Два возможных энергетических состояния электрона в магнитном поле
.
У системы с более высоким спином число состояний тоже больше. Поэтому мы можем в зависимости от величины
говорить о спине, направленном «вверх» или «вниз» или под некоторым «углом».
Эти результаты квантовой механики мы будем использовать при обсуждении магнитных свойств материалов в следующей главе.