Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Магнитомеханический опыт Барнетта и гиромагнитное отношение для спина электрона

Следующий в нашем рассмотрении опыт по измерению гиромагнитного отношения для спина электрона также был непреднамеренным. Сэмьюэл Джексон Барнетт (1873–1956) в 1914 году поставил эксперимент, в некотором смысле развивающий идеи опыта Толмена–Стюарта по наблюдению инерционной ЭДС в металлах. Толмен и Стюарт показали, что электродвижущую силу в металлическом стержне можно создать его резким торможением. Это говорило о том, что электрический ток в металле создается мелкими частицами, подчиняющимися законам механики, а также позволило определить их удельный заряд . Барнетт задался магнитным аналогом этого явления. Действительно, еще Амперу принадлежала гипотеза, согласно которой намагничение вещества имеет место в силу циркулирующих в нем молекулярных токов. В свете теории атома Бора–Резерфорда (1911–1913) природа этих токов была раскрыта: токи создаются электронами, вращающимися вокруг атомных ядер. С другой стороны, мы знаем (см. Ларморова прецессия — в разделах, посвященных эффекту Фарадея и эффекту Зеемана), что атомные электроны ведут себя одинаково в постоянном и однородном магнитном поле и во вращающейся со скоростью

системе отсчета. Данное свойство, составляющее содержание теоремы Лармора, связано с одинаковым видом выражений для магнитной компоненты силы Лоренца и для силы инерции Кориолиса, возникающей в таких вращающихся системах отсчета. Таким образом, если железный стержень начать вращать с частотой , электронные орбиты в составляющих его атомах начнут под действием силы Кориолиса поворачиваться относительно стержня точно так же, как если бы неподвижный стержень был помещен во внешнее магнитное поле . Это приводит к намагничиванию стержня, которое и измерялось в эксперименте Барнетта 1914 года. Существенной трудностью эксперимента являлось наличие магнитного поля Земли, действие которого на электроны образца должно быть в сто тысяч раз превышать действие вращательных сил инерции даже при скорости вращения . Полученное гиромагнитное соотношение оказалось в два раза больше предполагаемого, а именно,

Данный результат, как выяснилось через 7–10 лет, не был ошибкой: его причина заключалась в том, что ферромагнитные свойства железа и других ферромагнетиков обусловлены спиновыми магнитными моментами электронов, для которых гиромагнитный фактор .

Интересно заметить, что в учебной литературе часто излагается совсем другая история открытия аномального g-фактора. А именно, утверждается, что этот фактор был получен в эксперименте Эйнштейна–де Газа, проведенном в 1915 году. В этом эксперименте исследовался обратный по отношению к Барнетту эффект: свободно вращающийся ферромагнитный образец при намагничении внешним полем должен приходить во вращение. Этот факт связан с тем, что между магнитными моментами электронов, создаваемыми их движением по орбитам вокруг ядер, и механическими моментами электронов существует точно такое же гиромагнитное соотношение:

При намагничении образца изменяется ориентация молекулярных магнитных моментов — поэтому должен меняться и полный механический момент образца. Однако, Эйнштейн и да Гааз получили гиромагнитный фактор , согласовывавшийся с классической теорией. Любопытно привести таблицу результатов опытов по измерению g-фактора.

Год Автор Страна g-фактор
1914 Барнетт США 2.0
1915

Барнетт США 2.3
1915

Эйнштейн, де Гааз Германия 1.03±0.10
1916

Де Гааз Голландия 1.2
1917

Барнетт США 1.1–1.4
1918

Стюарт США 2.02±0.02
1919

Бек Швейцария 1.88
1920

Арвидссон Швейцария 2.12
1922

Барнетт США ≈2
1922

Чатток, Бейтс Англия 1.97
1923

Де Гааз Голландия 1.11; 1.51
1923

Суксмит, Бейтс Англия 1.99±0.024
1925

Барнетт США 1.89±0.04
1931

Барнетт США 1.929±0.006
1962

Барнетт США 1.919±0.002

Строго говоря, до середины двадцатых годов вопрос о гиромагнитном отношении для электрона был совсем туманным. Тем не менее, необходимо отдать пальму первенства Сэмьюэлу Барнетту, который первым поставил эксперимент по изучению магнитомеханических свойств электронов и первым же получил правильное значение g-фактора, не являвшееся таковым по современным ему представлениям.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>