PDF (1 MB) - FMI

10.5. PARA- JA DIAMAGNETISMISTA 127magneettimomentti liittyy hiukkasteen spiniin. Elektronin magneettimomenttion noin 700 kertaa suurempi kuin protonin ja noin 1000 kertaa suurempikuin neutronin magneettimomentti, joten elektronit määräävät aineenmagneettiset ominaisuudet. (Neutroni ei siis kuitenkaan ole magneettisessamielessä täysin neutraali.)Elektronin kiertoliike atomissa vastaa virtasilmukkaa ja siitä aiheutuvamagneettimomentti on samaa suuruusluokkaa kuin spinistä johtuva. Rataliikkeestäjohtuva magneettimomentti voidaan ymmärtää klassisella mallilla,jossa elektroni kiertää r-säteistä ympyrärataa kulmataajuudella ω =2π/T.Malli vastaa virtasilmukkaa, jonka pinta-ala on A = πr 2 ja jossa kulkeevirta I = q/T = qv/2πr. Magneettimomentti on siis m = IA = qvr/2. Elektroninliikemäärämomentti radan keskipisteen suhteen on L = m 0 vr (massa= m 0 ). Ottaen huomioon, että kyse on vektorisuureista, voidaan suuntasäännötmuistaen kirjoittaa m = −e/(2m 0 )L, joka vastaa myös havaintoja.Samaan tulokseen päädytään, jos tarkastellaan pyörivän hiukkasen magneettimomentinja liikemäärämomentin suhdetta (HT). Elektronin spinistäjohtuva magneettimomentti on kuitenkin kaksinkertainen, joten klassinenkuvaeitässä anna oikeaa ennustetta. Samalla nähdään, ettei spiniä voidaselittää arkipäiväisen mielikuvan mukaan pyörimisestä johtuvaksi, vaankyseessä on puhtaasti kvanttimekaaninen suure.Atomin magneettimomentti muodostuu elektronien spinien ja rataliikkeenmagneettimomenteista, jotka yleensä pyrkivät kumoamaan toisensapareittain. Jos atomilla tai molekyylillä on parillinen määrä elektroneja, senmagneettimomentti yleensä puuttuu. Muuten atomien magneettimomentitovat samaa suuruusluokkaa kuin elektroneilla.Ulkoinen magneettikenttä suuntaa atomien ja metallien vapaiden elektronienmagneettimomentteja siten, että niiden kenttä vahvistaa ulkoistakenttää aineessa. Tämä selittää paramagnetismin. Lämpötilan noustessalämpöliike häiritsee atomien järjestäytymistä, jolloin suskeptiivisuus pienenee.Vastaavasti lämpötilan nousu heikentää pysyvien sähködipolien suuntautumisestaaiheutuvan polarisoitumista.Ulkoinen magneettikenttä vaikuttaa myös elektronien rataliikkeeseen.Tällöin atomiin indusoituu magneettimomentti, joka suuntautuu ulkoistakenttää vastaan, mikä selittää diamagnetismin. Ilmiö tapahtuu kaikissa aineissa,mutta peittyy molekyylien magneettimomenttien alle, jos molekyyleilläon magneettimomenttia (vrt. pysyvä ja indusoituva polarisaatio sähkökentänvaikutuksesta). Diamagneettinen suskeptiivisuus ei riipu merkittävästilämpötilasta, koska atomien lämpölike ei pysty häiritsemään nopeasti ulkoiseenkenttään sopeutuvia elektroneja.