Иссдедуя свойства электронов, протонов, нейтронов, ученые установили, что они являются микроскопическими магнитиками. Это свойство столь же присуще частицам, как масса или как за­ ряд — электрону и протону. Можем ли мы объяснить, почему элек­трон, протон и нейтрон — магнитики? Да, можем. Однако для объ­яснения необходимо углубиться в природу частиц.

Оказывается, задание массы и заряда не характеризует частицу полностью. Частицы обладают еще одним свойством, за которым сохранилось английское название «спин». И электрон, и протон, и нейтрон обла­дают спином. На языке физиков это означает, что частицы (элек­трон, протон, нейтрон) всегда как бы вращаются вокруг собствен­ной оси («вращение» присуще им как масса, заряд). Мерой враще­ния служит момент количества движения, который у всех пере­численных частиц одинаков и равен j/~1jft, где ft— зна­менитая постоянная Планка, равная приблизительно 10~“²⁷ эрг • сек. ~ = ■“ (“■ + l) написано таким странным образом, чтобы обра­тить внимание на существование формулы У"S (S+ 1) ft. «Враще­ние, как показала квантовая механика, не может быть любым. Что Г)!,! м как бы ни вращалось, момент количества движения ранен | S (S + 1) ft,где 5 = О, Г/2, 1, 3/2, 2, ... — целые или по- л\целые числа. Если 5 = 0, то вращение отсутствует. И у протона, и у »дпд | он !, и у нейтрона 5 = 1/2, а словами: спин равен половине.

К сожалению, нет возможности останавливаться подробнее на квантовых свойствах вращения. Отметим лишь несколько обстоя­тельств:

1. Целым или нулевым значением S обладают настоящие враще­ния (когда что-то перемещается и пространстве, например электрон вращается вокруг ядра атома). Полученные значения связаны с «собственным вращением», наглядное объяснение которого не имеет классического аналога. Но если все же захотеть сопоставить спину что-то наглядное, то лучше всего, пожалуй, представлять себе электрон (или протон, нейтрон) микроскопическим волчком, остановить вращение которого невозможно.

2. Момент количества движения — вектор, направленный вдоль вдоль оси вращения. Спин электрона (протона и нейтрона) может ориентироваться в пространстве только двумя способами: либо по..., либо против... Если в том месте, где находится частица, есть магнитное поле, то либо по магнитному полю, либо против поля. Если же магнитного поля нет, то выбор оси, вдоль которой будет направлен спин (по.. или против...) безразличен.

Итак электрон, протон и нейтрон обладают спином 1/2.

Поль Дирак в 1928 г. теоретически исследовал свойства частиц со спином 1/2. Оказалось, что «вращающийся» электрон создает вокруг себя магнитное поле, т. е. обладает еще и собственным магнитным моментом, пропорциональным моменту количества движе­нии электрона (спину), с коэффициентом пропорциональности (со­гласно Дираку), равным е/тс, где е—заряд электрона, т— его шмчн, с — скорость света. Тогда, согласно теории, проекция собственного магнитного момента Электрона на магнитное поле рав­на eh/2mc. Этот результат прекрасно согласуется с измерениями магнитного момента электрона.

Величина и = 10~²⁰ эрг/гс носит название магнето на Бора.

Таким образом, магнитный момент частицы обратно пропорцио­нален ее массе. Поскольку масса протона (нейтрона) примерно в 1840 раз больше, чем масса электрона, то протонный (ядерный) магнетон Бора eh/2MpCво столько же раз меньше электронного. Магнитный момент протона не равен ядерному магнетону, он в 2,8 раза больше. Хотя заряд у нейтрона отсутствует, нейтрон обладает магнитным моментом. Развитие теории Дирака в применении к нуклонам (про­тонам и нейтронам) объяснило эти обстоятельства и позволило вы­числить их магнитные моменты. Магнитный момент нейтрона при­мерно в 1,9 раза больше ядерного магнетона.

Итак, электрон, протон и нейтрон — микроскопические магни­тики. Их удобно изображать стрелочками: |. Надо, однако, помнить, что стрелки следует располагать только вдоль выбранной оси: либо по..., либо против... Два электрона могут составить систему с маг­нитным моментом вдвое больше магнитного момента одного электро­на: ||. Эта система из двух электронов имеет спин, равный единице. Но они могут образовать и систему без магнитного момента: |f.

При объяснении, почему одни тела магниты, а другие нет, мы теперь будем исходить из того, что основные кирпичики вещества (электроны, протоны, нейтроны) — магнитики. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов — частиц, из которых состоят ядра атомов, примерно в тысячу раз меньше, чем магнитный момент элект­рона, то при изучении магнитных свойств, во всяком случае на пер­вых порах, магнетизмом ядер вовсе можно пренебречь^[1]. То обстоя­тельство, что железо—магнит, а медь нет, целиком определяется поведением электронов железа, их отличием от электронов меди.