Магнетизм на уровне частиц
Магнит притягивает железо, хотя ничто не соприкасается и не движется видимым образом — и всё же это явление начинается не с вращающихся зарядов, а со свойства, которого в классической физике попросту не существует: со спина.
Что такое спин на самом деле
Электроны, протоны, нейтроны и кварки обладают спином — квантованным, внутренне присущим им моментом импульса. Название вводит в заблуждение: электрон, насколько известно, точечен и не «вращается» в классическом смысле — у него попросту нет протяжённости, которая могла бы вращаться. Спин — это свойство, закреплённое за частицей так же жёстко, как масса или заряд: у электрона он всегда составляет ровно ±½ (в единицах ħ), независимо от способа измерения.
Открыт он был в 1922 году в опыте Штерна—Герлаха: пучок атомов серебра пропустили через неоднородное магнитное поле. Классически следовало бы ожидать непрерывного пятна, поскольку ориентация атомов должна быть случайной. Вместо этого наблюдались ровно два чётко разделённых пятна — первое прямое доказательство того, что спин (а вместе с ним и магнитное поведение вещества) квантован и может принимать относительно поля только два значения.
Как спин создаёт магнитное поле
Поскольку электрон электрически заряжен, его спин — собственный момент импульса — автоматически создаёт магнитный дипольный момент, притом что в буквальном смысле ничто не движется. Величина этого момента зависит от так называемого g-фактора, который у электрона равен не ровно 2, а 2,00232 — это крошечное отклонение предсказывается квантовой электродинамикой и является одним из самых точно подтверждённых значений во всей физике.
Помимо спина, вклад в магнитный момент вносит и движение электронов вокруг ядра (орбитальный магнетизм) — но у большинства атомов доминирует именно спиновый вклад. Проявляет ли атом в целом магнитный момент вовне, зависит от того, как складываются моменты отдельных электронов.
Опыт Штерна—Герлаха (схематично): в неоднородном поле атомы со спином «вверх» и «вниз» испытывают противоположно направленные силы и попадают на экран в двух чётко разделённых местах — а не распределяются по площади, как это происходило бы с непрерывной классической величиной.
Почему одни вещества реагируют на магнит, а другие нет
Есть ли у атома суммарный магнитный момент, решает принцип Паули: два электрона на одной орбитали должны иметь противоположные спины, и их моменты в точности компенсируют друг друга. Атомы с полностью заполненными оболочками — все спины спарены — не проявляют магнитного момента вовне. У атомов же с неспаренными электронами есть реальный, хотя обычно и слабый, магнитный момент.
На этом простом различии строятся три базовых типа магнетизма:
Почему ферромагнитно именно железо
У атома железа четыре неспаренных 3d-электрона — по правилу Хунда электроны сначала занимают как можно больше орбиталей поодиночке, прежде чем спариваться. Само по себе это объяснило бы лишь парамагнетизм, который проявляют и другие металлы. По-настоящему особенным является квантово-механическое обменное взаимодействие между соседними атомами железа: именно при таком межатомном расстоянии и такой конфигурации 3d-электронов оно энергетически выгоднее делает параллельную, а не антипараллельную ориентацию соседних спинов. Ниже температуры Кюри (770 °C) соседние атомы поэтому самопроизвольно выстраиваются — совсем без внешнего поля.
Тем не менее кусок немагнитного железа обычно не проявляет магнетизма вовне, потому что распадается на множество мелких доменов Вейсса: внутри каждого домена все моменты выстроены идеально параллельно, но ориентация от домена к домену меняется случайным образом, так что вклады в среднем компенсируются. Внешнее поле заставляет выгодно ориентированные домены расти за счёт остальных (стенки доменов смещаются) — материал намагничивается, и часть этой ориентации может сохраниться как остаточная намагниченность даже после снятия поля: получается постоянный магнит.
Без внешнего поля случайно ориентированные домены Вейсса в среднем взаимно компенсируются. Приложенное поле заставляет выгодно ориентированные домены расти, пока материал не намагнитится макроскопически.
Для чего служит магнетизм частиц на практике
От больничной палаты до жёсткого диска — целенаправленное использование спина и магнитного момента отдельных частиц лежит в основе многих технологий, на первый взгляд никак не связанных с физикой частиц.
Не всякий магнетизм происходит от спина. Движение электронов вокруг ядра дополнительно создаёт орбитальный магнетизм, а простой ток в проволочной катушке создаёт магнитное поле вовсе без участия спина — исключительно за счёт движущегося заряда (электромагнит). Спиновый и орбитальный магнетизм объясняют, почему отдельные атомы и материалы сами по себе несут магнитный момент; классический электромагнетизм объясняет, почему катушка с током способна на то же самое совсем без спина частиц.