Einstein -de Haasův efekt - Einstein–de Haas effect

Einstein-de Haas efekt je fyzikální jev, při kterém ke změně magnetického momentu svobodného těla způsobuje, že tato tělesa otáčet. Účinek je důsledkem zachování momentu hybnosti . Je dostatečně silný, aby byl pozorovatelný ve feromagnetických materiálech . Experimentální pozorování a přesné měření účinku ukázaly, že fenomén magnetizace je způsoben zarovnání ( polarizace ) v momentu hybnosti z elektronů v materiálu podél osy magnetizace. Tato měření také umožňují oddělení dvou příspěvků k magnetizaci: toho, co je spojeno s rotací a orbitálním pohybem elektronů. Efekt také demonstroval těsný vztah mezi pojmy hybnosti v klasické a kvantové fyzice .

Účinek předpověděl OW Richardson v roce 1908. Je pojmenován po Albertovi Einsteinovi a Wanderovi Johannesovi de Haasovi , kteří v roce 1915 publikovali dva články o prvním experimentálním pozorování účinku.

Popis

Oběžný pohyb elektronu (nebo nabitých částic) kolem určité osy, vytváří magnetický dipól s magnetického momentu z , kde a jsou náboj a hmotnost částice, zatímco je moment hybnosti v pohybu. Naproti tomu vnitřní magnetický moment elektronu souvisí s jeho vnitřní hybností ( spinem ) jako (viz Landého g-faktor a anomální magnetický dipólový moment ).

Je-li množství elektronů v jednotkovém objemu materiálu mají celkovou orbitální moment hybnosti vzhledem k určité osy, jejich magnetické momenty by produkovat magnetizace o . Pro spinový příspěvek by vztah byl . Změna magnetizaci , znamená proporcionální změnu momentu hybnosti , elektronů strany. Za předpokladu, že podél osy magnetizace není na tělo v tomto procesu aplikován žádný vnější točivý moment , měl by zbytek těla (prakticky veškerá jeho hmotnost) získat moment hybnosti díky zákonu zachování momentu hybnosti .

Experimentální nastavení

Experimentální nastavení

Experimenty zahrnují válec z feromagnetického materiálu zavěšený pomocí tenké šňůry uvnitř válcové cívky, která slouží k vytvoření axiálního magnetického pole, které magnetizuje válec podél jeho osy. Změna elektrického proudu v cívce mění magnetické pole, které cívka produkuje, což mění magnetizaci feromagnetického válce a v důsledku popsaného účinku jeho moment hybnosti . Změna momentu hybnosti způsobuje změnu rychlosti otáčení válce, sledovanou pomocí optických zařízení. Vnější pole interagující s magnetickým dipólem nemůže vytvářet žádný točivý moment ( ) ve směru pole. V těchto experimentech dochází k magnetizaci ve směru pole vytvářeného magnetizační cívkou, proto při absenci dalších vnějších polí musí být moment hybnosti podél této osy zachován.

Navzdory jednoduchosti takového uspořádání nejsou experimenty snadné. Magnetizaci lze měřit přesně pomocí snímací cívky kolem válce, ale související změna momentu hybnosti je malá. Kromě toho okolní magnetická pole, jako je zemské oblasti, může poskytnout 10 7 - 10 8 krát větší mechanickou vliv na magnetizované válce. Pozdější přesné experimenty byly provedeny ve speciálně konstruovaném demagnetizovaném prostředí s aktivní kompenzací okolních polí. Metody měření obvykle využívají vlastnosti torzního kyvadla a poskytují periodický proud magnetizační cívce na frekvencích blízkých rezonanci kyvadla. Experimenty přímo měřit poměr: a odvození bezrozměrné gyromagnetický faktor materiálu z definice: . Množství se nazývá gyromagnetický poměr .

Dějiny

Očekávaný účinek a možný experimentální přístup poprvé popsal Owen Willans Richardson v článku publikovaném v roce 1908. Spin elektronů byl objeven v roce 1925, proto byl před tím uvažován pouze orbitální pohyb elektronů. Richardson odvodil očekávaný vztah . Článek zmiňoval pokračující pokusy pozorovat účinek v Princetonu.

V tomto historickém kontextu představa orbitálního pohybu elektronů v atomech odporovala klasické fyzice. Tento rozpor byl řešen v Bohrově modelu v roce 1913 a později byl odstraněn s rozvojem kvantové mechaniky .

SJ Barnett , motivovaný Richardsonovým dokumentem, si uvědomil, že by měl nastat i opačný efekt - změna rotace by měla způsobit magnetizaci ( Barnettův efekt ). Myšlenku zveřejnil v roce 1909, poté se věnoval experimentálním studiím účinku.

Einstein a de Haas publikovali v dubnu 1915 dva články obsahující popis očekávaného účinku a experimentální výsledky. V příspěvku „Experimentální důkaz existence molekulárních proudů Ampere“ podrobně popsali experimentální aparát a provedená měření. Jejich výsledek pro poměr momentu hybnosti vzorku k jeho magnetickému momentu (autoři tomu říkali ) byl velmi blízký (do 3%) k očekávané hodnotě . Později bylo zjištěno, že jejich výsledek s citovanou nejistotou 10% nebyl v souladu se správnou hodnotou, která se blíží . Autoři zřejmě podcenili experimentální nejistoty.

SJ Barnett informoval o výsledcích svých měření na několika vědeckých konferencích v roce 1914. V říjnu 1915 publikoval první pozorování Barnettova jevu v příspěvku s názvem „Magnetizace rotací“. Jeho výsledek pro se blížil správné hodnotě , což bylo v té době neočekávané.

V roce 1918 JQ Stewart publikoval výsledky svých měření potvrzující Barnettův výsledek. Ve svém příspěvku nazýval fenomén „Richardsonovým efektem“.

Následující experimenty prokázaly, že gyromagnetický poměr železa je spíše blízký než . Tento jev, přezdívaný jako „gyromagnetická anomálie“, byl nakonec vysvětlen po objevu spinu a zavedení Diracovy rovnice v roce 1928.

Literatura o účinku a jeho objevu

Podrobné zprávy o historickém kontextu a vysvětlení účinku lze nalézt v literatuře Komentující články Einsteina, Calaprice v The Einstein Almanac píše:

52. „Experimentální důkaz Ampérových molekulárních proudů“ (Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme) (s Wanderem J. de Hassem). Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verhandlungen 17 (1915): 152-170.

Vzhledem k Ampèrově hypotéze, že magnetismus je způsoben mikroskopickými kruhovými pohyby elektrických nábojů, autoři navrhli návrh k otestování Lorentzovy teorie, že rotující částice jsou elektrony. Cílem experimentu bylo změřit točivý moment generovaný obrácením magnetizace železného válce.

Calaprice dále píše:

53. „Experimentální důkaz existence Ampérových molekulárních proudů“ (s Wanderem J. de Haasem) (v angličtině). Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam, Proceedings 18 (1915-16).

Einstein napsal s Wanderem J. de Haasem tři články o experimentální práci, kterou společně dělali na Ampérových molekulárních proudech, známých jako Einsteinův -De Haasův efekt. Okamžitě napsal opravu na papír 52 (výše), když nizozemský fyzik HA Lorentz upozornil na chybu. Kromě dvou výše uvedených článků [to je 52 a 53] Einstein a de Haas napsali v tomto roce „Komentář“ k článku 53 pro stejný časopis. Toto téma souviselo pouze nepřímo s Einsteinovým zájmem o fyziku, ale jak napsal svému příteli Michele Besso : „Ve stáří rozvíjím vášeň pro experimentování“.

Druhý dokument Einsteina a de Haase byl sdělen „Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences“ Hendrikem Lorentzem, který byl tchánem de Haas. Podle Frenkela Einstein ve zprávě pro Německou fyzikální společnost napsal: „V posledních třech měsících jsem společně s de Haas – Lorentzem prováděl experimenty v Imperial Physicotechnical Institute, které pevně potvrdily existenci Ampérových molekulárních proudů.“ Pravděpodobně přisoudil pomlčkové jméno de Haasovi, což neznamená jak de Haas, tak HA Lorentz .

Pozdější měření a aplikace

Efekt byl použit k měření vlastností různých feromagnetických prvků a slitin. Klíčem k přesnějším měřením bylo lepší magnetické stínění, přičemž metody byly v zásadě podobné těm z prvních experimentů. Experimenty měří hodnotu g-faktoru (zde použijeme projekce pseudovektorů a na osu magnetizace a vynecháme znaménko). Magnetizace a moment hybnosti se skládá z příspěvků z spin a orbitální moment hybnosti : , .

Za použití známých vztahů , a tam, kde je g-faktor pro anomální magnetický moment elektronu, lze odvodit relativní rotace příspěvek k magnetizaci , jako jsou: .

U čistého železa je naměřená hodnota , a . V čistém železe je tedy 96% magnetizace zajištěno polarizací otáčení elektronů , zatímco zbývající 4% je zajištěno polarizací jejich orbitálních momentových momentů .

Viz také

Reference

externí odkazy

  • „Einsteinův jediný experiment“ [1] (odkazy na adresář domovské stránky Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Německo [2] ). Zde je k vidění replika původního zařízení, na kterém byl prováděn experiment Einstein – de Haas.