Юный техник 1971-04, страница 44

КЛУБ «XYZ»

Клуб ведут преподаватели, аспиранты и старшекурсники МФТИ.

W-

X — знания, Y — труд, Z — смекалка

ПЕЧКА

ДИАФРАГМА

МАГНИТ

ЭПР

И. ЩЕГОЛЕВ, кандидат физико-математических наук

История начинается в 1921 году, когда немецкие физики Штерн и Герлах обнаружили, что электрон, несущий элементарный электрический заряд, является также и микроскопическим магнитным диполем.

...Свободных магнитных зарядов, подобных электрическому, в природе не существует. По крайней мере до сих пор никому не удалось их обнаружить. И простейшим «кирпичиком» магнетизма является магнитный диполь. Обычная стрелка компаса — это большой магнитный диполь. Электрон — это в каком-то смысле тоже магнитная стрелка, только бесконечно малых размеров. Он способен, как обычная магнитная стрелка, ориентироваться во внешнем магнитном поле.

Но микроскопический электронный диполь, в отличие от магнитной стрелки, не может произвольно ориентироваться относительно магнитного поля. Единственное, что ему удается, — это принять направление или по полю, или против поля. Промежуточные ориентации невозможны.

А связано это вот р чем. Для того, чтобы повернуть магнитную стрелку, ориентированную по полю, на некоторый угол, нужно совершить работу — затратить энергию. Причем тем больше, чем больше угол поворота и чем больше поле.

Природа устроена так, что никакая энергия не исчезает бесследно, а как бы накапливается. Если мы, например, отпустим отклоненную стрелку, она начнет колебаться, м эта накопленная, или, как говорят, потенциальная, энергия стрелки перейдет в энергию ее движения.

Угол, который образует магнитный диполь с направлением поля, определяет его потенциальную энергию. Когда диполь ориентирован по полю, его энергия минимальна. Когда он ориентирован против поля, его энергия максимальна. Существование только двух возможных ориентаций электрона в магнитном поле связано с общим для микромира явлением квантования энергии: энергия электронного магнитного диполя в заданном поле может иметь только два значения. Они будут различаться между собой тем больше, чем больше величина поля.

Своеобразные магнитные свойства электрона четко проявились в опыте Штерна и Герлаха. Ученые работали на установке, схематически изображенной на рис. 1. У них имелась маленькая печка, в которой происходило испарение металлического серебра. Атомы серебра, вылетающие через отверстие в печке, проходили через диафрагму. jOна служила для создания параллельного пучка атомов. Эти пучки попадали в пространство между полюсами магнита специальной формы и затем конденсировались на холодной подложке.

В атоме серебра содержится 47 электронов. 46 из них расположены в глубине атома и так сильно связаны между собой, что их магнитные диполи оказываются всегда попарно параллельными и направленными навстречу друг Другу и друг друга компенсируют. Они уже не способны реагировать на внешнее магнитное поле — совсем как пары магнитных стрелок, сложенные вместе (каждый полюс с ему противоположным). Способность откликаться на магнитное воздействие сохраняет только самый внешний, так называемый валентный электрон, который и определяет все поведение атома в магнитном поле.

Если магнитный диполь этого электрона окажется направленным по полю, атом при своем движении в неоднородном магнитном поле будет отклоняться в одну сторону, скажем вверх. При противоположной ориентации электронного диполя атом отклонится в противоположную сторону. Первоначальный пучок атомов, в котором оба направления электронного диполя равновероятны, расщепляется таким образом на два пучка. На подложке возникают с течением времени две серебряные полоски. Измеряя расстояние между этими полосками, Штерн и Герлах сумели даже определить величину магнитного диполя электрона.

42