GIẢ THUYẾT AMPÈRE. BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN PHÂN TỬ

Chương IV. TỪ TRƯỜNG TRONG CHÂN KHÔNG Mục tiêu

6.2. GIẢ THUYẾT AMPÈRE. BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN PHÂN TỬ

Nguồn gốc của từ trường là gì? Bản chất của các dòng điện trong các môi trường: kim loại, chất khí, chất điện phân là gì?

1.Giả thuyết Ampère.

Xung quanh nam châm cũng có từ trường. Từ trường của nam châm do dòng điện nào gây ra?

Để giải thích từ tính của nam châm, Ampère đã đưa ra giả thuyết về dòng điện kín tồn tại trong lòng nam châm gọi là dòng điện phân tử. Theo ông từ trường của nam châm là do từ trường của các dòng điện phân tử trong nam châm gây nên. Có thể sử dụng khái niệm dòng điện phân tử để giải thích sự từ hoá của các chất thuận từ và chất nghịch từ nhưng không thể dùng nó để giải thích sự từ hoá của vật liệu sắt từ. Nhưng quan trọng hơn là dòng điện phân tử dùng để có cái nhìn đúng về dòng điện sinh ra từ trường. Ngày nay chúng ta biết dòng điện

163

phân tử là dòng chuyển động xung quanh hạt nhân trong các nguyên tử, phân tử gây ra.

(Tiết 32) 2. Bản chất của dòng điện phân tử

Mẫu hành tinh nguyên tử theo vật lí cổ điển là gì?

Theo vật lí cổ điển thì mỗi electron trong nguyên tử tham gia đồng thời hai chuyển động: chuyển động trên một quỹ đạo kín quanh hạt nhân và chuyển động tự quay quanh mình nó. Như chúng ta quen gọi mẫu nguyên tử như vậy là mẫu hành tinh nguyên tử. Khi đó với hai chuyển động của nó, electron có hai mômen: mômen spin và momen quỹ đạo.

Như vậy đối với một vật chất bất kì đều tồn tại dòng điện phân tử do các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo những đường cong kín gây ra.

Do vậy theo vật lí cổ điển thì chuyển động của elecctron được coi là một dòng điện kín có cường độ rất nhỏ, được gọi là dòng điện nguyên tố. Các dòng điện này cũng sinh ra từ trường và bị từ trường tác dụng lên. Ta nói một cách khác là các nguyên tử vật chất đều có từ tính.

Xét trường hợp đơn giản: một nguyên tử đặt cô lập, chưa đặt trong từ trường ngoài. Và giả thiết rằng electron chuyển động trên những quỹ đạo tròn có bán kính r tâm tại tâm hạt nhân nguyên tử, chuyển động với vận tốc v. Dòng điện nguyên tố có chiều ngược với chiều chuyển động của các electron, và cường độ:

2 I ke ev

r

   , trong đó k là số hạt điện tích chuyển qua một điểm nào đó trên quỹ đạo trong một giây, e là độ lớn điện tích của electron.

Dòng điện này có mômen từ pm ISn

. Trong đó n là vec tơ pháp tuyến của mặt phẳng quỹ đạo, S là diện tích của dòng điện.

pm

còn gọi là mô men từ quỹ đạo của electron, có phương vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo, có chiều tuân theo quy tắc quay đinh ốc sao cho chiều quay của nó theo chiều dòng điện I (ngược với chiều chuyển động của êlectron) thì chiều tiến của nó trùng với chiều của pm

, có độ lớn:

m 2

p IS evr (6.1) Ngoài ra, electron còn có mômen động lượng quỹ đạo, được xác định theo công thức:

Lr mv  (6.2) Từ đây ta cũng thấy rằng mômen động lượng quỹ đạo vuông góc với r

và

v

và có hướng tuân theo quy tắc tam diện thuận. Điều này có nghĩa là vectơ mômen động lượng quỹ đạo ngược chiều với mômen từ quỹ đạo của electron.

Do vậy, momen động lượng quỹ đạo có biểu thức:

Lmvrn (6.3) Tỉ số:

2 pm e

m

 L 



 (6..4) được gọi là tỉ số từ - cơ quỹ đạo của electron.

Người ta cũng chứng minh được công thức 6.4 không chỉ đúng với electron chuyển động theo quỹ đạo tròn mà còn đúng với quỹ đạo hình elip bất kì của electron.

Mặt khác cũng theo lí thuyết cổ điển thì cũng có thể coi electron như một điện tích nhỏ bé có thể tự quay quanh mình nó nên nó sẽ có một momen động lượng spin nội tại và gắn liền với nó là mômen từ spin nội tại. Những kết quả thí nghiệm của Einstein – De Haas tiến hành năm 1915 đã cho thấy tỉ số từ - cơ tính theo công thức lí thuyết sai lệch với kết quả thực nghiệm 2 lần. Điều này cho thấy sự tồn tại của mômen spin riêng và mômen từ spin riêng là hợp lí. Bằng cơ học lượng tử, người ta đã tìm ra công thức tính mômen động lượng Spin S có giá trị:

5, 2729.10 J.s35

4 S h



   (Với h là hằng số Plank) (6.5) Và tỉ số từ - cơ spin của electron là: ps e

m

S 



 (6.6) nghĩa là lớn gấp hai lần tỉ số từ - cơ quỹ đạo. Kết quả này phù hợp với thực nghiệm.

165

Lưu ý rằng vectơ mômen từ spin và vectơ mômen động lượng spin ngược chiều với nhau. Giống như electron về phương diện cổ điển có thể xem proton như một điện tích nhỏ quay với mômen động lượng spin riêng và mômen từ spin riêng. Vì proton mang điện dương nên hai vectơ này có cùng hướng với nhau.

Và vì khối lượng của proton lớn hơn rất nhiều khối lượng của electron nên mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo của nó cũng rất nhỏ so với của electron.

Do vậy khi tính toán ta có thể bỏ qua mômen từ và mômen động lượng của proton.

Do vậy mômen từ nguyên tử có thể tính như sau:

( )

m m ms

i

P Z p p (6.7) Như vậy mômne từ nguyên tử có thể coi như đặc trưng cho tác dụng của một dòng điện khép kín trong nguyên tử (hay phân tử). Điều này khẳng định bản chất của dòng điện phân tử mà của Ampère đã giả thuyết.

6.2.3. Hiệu ứng nghịch từ

Để giải thích sự từ hoá của các chất, ta xét trường hợp đơn giản đối với sự chuyển động của electron trong nguyên tử khi một khối chất (một khối nguyên tử của chất) đặt trong từ trường ngoài B

, dưới con mắt của vật lí cổ điển.

Dưới tác dụng của từ trường ngoài electron chịu một momen lực:

M pmB

  

. Dưới tác dụng này electron ngoài chuyển động quanh hạt nhân như đã biết nó còn có một chuyển động tự quay quanh trục song song với B

. Chuyển động này tương đương với một dòng điện tròn khép kín chạy theo chiều ngược lại. Tính toán chi tiết cho thấy, do tác dụng của từ trường ngoài B

ngoài mômen từ Pm

thì electron còn có thêm một mômen từ phụ Pm

có hướng ngược chiều với B

, và có độ lớn: PmB

, với hệ số α phụ thuộc vào chuyển động của electron trong nguyên tử.

Như vậy nếu nguyên tử đặt trong từ trường ngoài thì ngoài momen từ nguyên tử thì nguyên tử còn có thêm một mômen từ phụ ngược hướng với

mômen từ nguyên tử và có độ lớn: PmB

(6.8), với hệ số β phụ thuộc vào bản chất của nguyên tử. Đó là hiệu ứng nghịch từ, hiệu ứng chung cho mọi chất.

Tiết 33