拉莫尔进动
物理学术语
拉莫尔进动,英文名称Larmor precession,是指电子、原子核和原子的磁矩在外部磁场作用下的进动。
简介
这是1897年由约瑟夫·拉莫尔爵士(1857—1942年)首先推论的。应用于磁通密度为B的磁场中,一电子绕原子核作轨道运行,该进动频率为eB/4πmvμ,式中e和m分别为电子的电荷和质量,μ为导磁率,v为电子的速度。该频率被称为拉莫尔频率。
具有自旋与磁矩特性的磁性核处于磁感应强度为B的均匀磁场中时,若此原子核的磁矩μ与B的方向不同时,在磁场作用下,原子核将受到一个垂直于μ与B形成平面的力矩T,在力矩T的作用下自旋角动量P的方向会连续发生变化,但大小保持不变,自旋核将发生像陀螺受重力作用是一样的进动。原子核既自旋,又围绕外磁场方向发生的进动也称为拉莫尔进动。
在原子的经典模型中,电子在绕原子核的环形轨道上作高速回转运动.原子中电子(设质量为m,带电量为e)绕核运动相当于一个圆电流,由于电子带负电,所以这个圆电流的磁矩的方向与电子角动量L的方向相反.在外磁场B的作用下,圆电流的磁矩将受到一个力矩的作用,如图1所示.的方向既垂直于B,又垂直于,也垂直于L的方向.由角动量定律(dL=dt)可知,角动量将随时间变化,电子在磁力矩作用下作进动(称拉莫尔进动),即电子的角动量L将以外磁场B的方向为轴回旋,进动频率大小为,,进动的回转方向由角动量的增量dL的方向决定,即由的方向决定。
拉莫尔进动解释抗磁性
凡由原子构成的物质均具有抗磁性.因为在外磁场下,原子内绕核旋转的电子产生了与外磁场方向相反的附加磁矩.不同的物理教材,对物质抗磁性成因的描述方式不同.较多的一种方式是,在外磁场下绕核旋转的电子不仅受到核的向心力,还受到外磁场所施加的洛伦兹力f,这个力的效果使电子产生了一个附加的磁矩ΔPm,它的方向始终和与磁场的方向是相反的.以图2中电子逆时针沿圆形轨道运动为例,未加外磁场时(图2(a)),设电子以速度瓫沿半径为r的圆形轨道运动,角速度大小为ω,此时,仅库仑力f提供向心力,库仑力大小f库=,如图2(a)所示,角速度ω的方向垂直轨道运动平面竖直向上,电子的逆时针圆周运动可等效为沿顺时针方向的电流强度为I的圆电流(I∝ω),轨道磁矩为Pm(Pm=IS,S为圆形轨道所围面积;S方向竖直向下,与电流流向满足右手螺旋关系),角速度ω和轨道磁矩Pm方向相反;加竖直向上的磁感应强度为B的外磁场后(图2(b)),电子除受指向圆心的库仑力f库外,还受指向圆心的洛伦兹力f洛,设外加磁场后角速度为ω′,根据牛顿第二定律f库+f洛=mω′2r,在运动轨道半径r大小不变的情况下,其角速度会增加,即ω′>ω.若图2(b)中等效的顺时针圆电流记为I′,则轨道磁矩P′m=I′S竖直向下,由于ω′>ω,所以,I′>I,从而P′m>Pm.令P′m=Pm+ΔPm,则附加轨道磁矩ΔPm与轨道磁矩Pm同向而与磁感应强度B反向.对于电子做顺时针圆周运动的情况,参考图进行类似分析可得到相同的结果(附加轨道磁矩ΔPm与磁感应强度B反向).总之:洛伦兹力的效果使电子产生附加磁矩ΔPm,而ΔPm会减弱原来的外磁场强度,这就是物质具有抗磁性的成因.
采用拉莫尔进动也可以解释抗磁性的成因.由前面关于拉莫尔进动介绍可知,外加磁场情况下,电子的角动量L将以外磁场B的方向为轴回旋,而进动的回转方向由角动量的增量dL或磁力矩MB的方向决定.结合图,不难确定,对图2(a)中沿轨道逆时针方向运动和图(b)中绕轨道顺时针方向运动的电子,附加竖直向上的外磁场B后,电子均会沿图中垂直于B的虚线轨道进动,且进动方向均沿逆时针方向.因为电子的进动也相当于一个圆电流,而电子携带负电荷,所以图2两种情况下,电子进动的等效电流I的方向均与进动方向反向,具体如图1中所示,又因为等效电流I的方向和附加磁矩ΔPm方向成右手螺旋关系,所以,图2(a)和图2(b)中均表现为附加磁矩ΔPm的方向与外磁场方向相反,这也正是抗磁性的来源.用拉莫尔进动来阐明物质的抗磁性被较少的物理教材所采用,我们要问,上述两种方法哪种比较好呢?笔者认为后者较好,理由有以下3点:
拉莫尔进动解释磁致旋光效应
凡透明物质都具有磁致旋光现象.这种现象指的是,在线偏振光透过透明物质的方向上施加一磁场,线偏振光的振动面会产生一个偏转(见图3).由于这种现象首先由法拉第于1854年9月发现,所以这种现象又称为法拉第磁致旋光效应.后来费尔德对法拉第磁致旋光现象做了全面的研究,得出偏振方向旋转的角度θ与光在透明物质中传播的距离l和磁场强度H成正比,即θ=VlH,式中的V称为费尔德常数,不同的物质,旋光能力不同,即常数V不相同.此外,振动面旋转的方向取决于磁场方向,而与物质的性质、状态及光线方向无关,这一点是与石英晶体一类的自然旋光现象不同的地方.磁致旋光也有右旋和左旋之分,顺着磁场的方向观察,振动面按顺时针方向旋转称为右旋,按逆时针方向旋转称为左旋.磁致旋光效应可应用拉莫尔进动来解释:经典电子论认为,原子中的电子由一线性弹性力所维系,在光场作用下电子做线性受迫振动.根据矢量分解知识,一束传播方向平行于磁场的线偏振光,可以看作是两束等振幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加.这样,在线偏振光的电场作用下,电子的线性运动可被分解为左旋圆周运动和右旋圆周运动之合成.加入磁场后,物质的原子或分子中的电子绕着磁场产生一个进动(拉莫尔进动),这种进动的结果,使得对于处于磁场作用下的原子体系,有了两条色散曲线nR(ω)和nL(ω),而右旋和左旋圆偏振光的传播速度vR和vL分别由nR(ω)和nL(ω)决定,有
其中c为光在真空中的传播速度.因此,左旋和右旋圆偏振光通过一定厚度的介质后,便产生不同的相位滞后,当光束射出介质后,左旋和右旋圆偏振光的速度又变得相同,合成为线偏振光,但相对于入射线偏振光,偏振面会有旋转.换言之,由入射线偏振光分解出来的左、右旋圆偏振光,在磁光介质中有了不同的传播速度,从而造成其偏振面的旋转.
最新修订时间:2024-06-19 19:41
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