VII. МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

В истории физики важное место занимают исследования магнетизма. Это известное с древнейших времен явление стало объектом научных экспериментов еще в XVII в. За два последних столетия явление магнетизма было изучено достаточно полно и всесторонне, в частности, была выявлена связь магнетизма и электричества. Полученные данные и легли в основу созданной Максвеллом в 1865 г. теории электромагнитного поля.

Новый этап в исследовании магнитных явлений наступил после того, как в 1880 г. нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц создал электронную теорию. На основе этой теории он объяснил целый ряд физических явлений и предсказал новые. В частности, он предсказал явление расщепления спектральных линий в сильном магнитном поле. И когда в 1896 г. нидерландский физик Питер Зееман открыл такой эффект (названный в дальнейшем его именем), это означало огромный успех теории Лоренца. Лоренц разработал и теорию этого эффекта. В 1902 г. Лоренц и Зееман были удостоены Нобелевской премии по физике.

Дальнейшее развитие теории магнетизма связано с именем французского физика Поля Ланжевена. В 1905 г. он, основываясь на представлениях электронной теории, разработал термодинамическую и статистическую теорию диа- и парамагнетизма. Эти два понятия были введены еще в 1845 г. Майклом Фарадеем. Говоря кратко, диамагнетизм — это свойство вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению поля, а парамагнетизм — свойство вещества намагничиваться в направлении поля. Теория Ланжевена связывала диамагнетизм с особенностями движения электронов по орбитам вокруг ядра, а парамагнетизм — с ориентацией собстственных магнитных моментов атомов и молекул. Впоследствии оказалось, что источником магнитного поля атома является не только движение электрона вокруг атомного ядра, но и спин электрона. В сущности, спин, который сначала связывали с вращением частицы вокруг собственной оси, был открыт при исследовании магнитных явлений, в частности эффекта Зеемана. Эксперименты указали и третий источник магнетизма — само ядро атома. Первые исследования магнетизма проводились с обладающими магнитными свойствами природными материалами. Еще с давних времен была известна железная руда под названием «магнитный железняк» (от которого, собственно, и происходит термин «магнетизм»), которая создает достаточно сильное магнитное поле. Вся совокупность этих свойств железа получила название «ферромагнетизм». Вначале считалось, что ферромагнетизм — просто одна из форм парамагнетизма. Позднее выяснилось, что механизм этих явлений различен. Среди первых попыток создать теорию ферромагнетизма особо следует отметить работы французского физика Пьера Эрнеста Вейса. В 1907 г. он высказал гипотезу о существовании в ферромагнетиках внутреннего магнитного поля и областей самопроизвольной намагниченности (участки Вейса). Магнитные моменты атомов в ферромагнетиках ориентированы параллельно, поэтому материал обнаруживает магнитные свойства и в отсутствие внешнего магнитного поля.

У французских физиков существуют богатые традиции исследований в области магнетизма. Одним из носителей этих традиций является Луи Эжен Феликс Неель. Как Пьер Вейс и Поль Ланжевен, он также избран членом Парижской академии наук. В 1930 г., работая в Страсбургском университете, Неель открыл явление антиферромагнетизма. Если в ферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентированы в одном направлении, то в антиферромагнетиках они ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно) и взаимно компенсируют друг друга, поэтому в отсутствие магнитного поля намагниченность тела в целом равна нулю.

В 1948 г. Неель, будучи уже профессором Гренобльского университета, занялся ферритами — одним из видов химических соединений окислов переходных металлов с окисью железа, обладающих специфической структурой и магнитными свойствами. Французский ученый дал объяснение сильному магнетизму ферритов, показав, что в их кристаллах атомные магнитные моменты ориентированы, как у. антиферромагнетиков, но по величине противоположно направленные магнитные моменты различны, и поэтому не происходит их взаимной компенсации.

Исходя из своей теории, Неель описал поведение новых синтетических магнитных материалов. За фундаментальные работы по магнетизму Луи Неель был удостоен в 1970 г. звания лауреата Нобелевской премии по физике, разделив эту награду с Ханнесом Альфвеном.

Одним из создателей современных представлений о магнетизме вещества является американский физик Джон Хансбрук Ван Флек. В период 1926—1928 гг., работая в Миннесотском университете, он разработал квантовомеханическую теорию диа- и парамагнетизма. Первоначально теория касалась только газов и неметаллических соединений, но впоследствии была распространена и на кристаллы. В 1932 г. Ван Флек опубликовал обширную монографию, посвященную проблемам магнетизма, которая приобрела широкую известность в научных кругах. В 30-е годы эта и другие работы Ван Флека сыграли большую роль в развитии квантовой теории химических связей. Пройдя долгий плодотворный путь и сохранив работоспособность до преклонного возраста, этот ученый стал лауреатом Нобелевской премии по физике лишь в 1977 г. — в возрасте 88 лет. Ван Флек получил это высокое признание за исследования магнетизма вещества, в частности за работы в области упорядоченных магнитных систем, каковыми являются кристаллы.

Вместе с Ван Флеком Нобелевской премии были удостоены Филип Андерсон, его ученик из Гарвардского университета, и английский физик Невилл Мотт. Андерсон известен своими работами по магнетизму и сверхпроводимости, а Мотт — множеством исследований в различных областях физики твердого тела, которые он проводил на протяжении почти четырех десятилетий. Однако эти два ученых, по существу, были награждены за исследования локализации электронных состояний в неупорядоченных системах, к которым относятся жидкие, аморфные и стекловидные вещества.

В современной науке неупорядоченные системы — одно из особенно бурно развивающихся и перспективных направлений исследования. С аморфными полупроводниками, например, связываются надежды на дальнейшее развитие микроэлектроники. Признанием заслуг в этой области исследований и явилось присуждение в 1977 г. Нобелевской премии Филипу Андерсону и Невиллу Мотту.

Важное место в исследовании магнетизма занимают эксперименты, связанные с измерением магнитных моментов атомов и элементарных частиц. В 1922 г. Отто Штерн и Вальтер Герлах из Франкфуртского университета поставили опыт, доказывающий наличие у атома магнитного момента. Они пропускали поток атомов серебра между полюсами магнита в вакуумной камере. Как и ожидалось, поток разделился на два и на экране образовались два серебряных пятнышка. Это подтвердило, что атомы можно рассматривать как миниатюрные магнитики с магнитной осью, с северным и южным магнитными полюсами, которые соответствующим образом ориентируются в пространстве относительно внешнего магнитного поля.

В 1933 г. Отто Штерн вместе с Отто Фришем в опытах, проведенных в Гамбургском университете, впервые измерили магнитный момент протона в молекуле водорода, пропуская поток молекул через магнитное поле. Однако их метод был довольно груб, и для получения более точных результатов нуждался в усовершенствовании. Это и осуществил в 1937 г. Изидор Айзек Раби, работавший в Колумбийском университете. Для определения ядерных магнитных моментов он использовал разработанный им метод магнитного резонанса атомных ядер в молекулярных пучках, действуя на них одновременно магнитным полем и высокочастотным излучением. Это позволило во сто крат увеличить точность измерений.

Исследования магнитных свойств атомов имели важное значение для изучения их структуры. За развитие молекулярно-лучевого метода и открытие магнитного момента протона Отто Штерн получил в 1943 г. Нобелевскую премию по физике. В 1944 г. Нобелевской премии был удостоен Изидор Раби — за разработку метода магнитного резонанса в молекулярных пучках и исследование магнитных свойств в атомах ядер.

В 1946 г. швейцарец Феликс Блох, работавший в Станфордском университете, и американец Эдвард Миле Парселл из Гарвардского университета независимо друг от друга создали точные методы измерения магнитных моментов ядер и элементарных частиц. Магнитное поле ядра примерно в тысячу раз меньше магнитного поля электрона, поэтому для его исследования требовалась исключительно чувствительная аппаратура. В экспериментах Раби были измерены магнитные моменты протона, дейтрона и некоторых других легких атомных ядер. Были получены очень точные результаты, достигнутые, однако, ценой большой сложности опытной установки. Взаимодействие магнитных моментов ядер с высокочастотным излучением исследовалось по отклонению пучков молекул в магнитном поле.

Метод ядерного магнитного резонанса, предложенный Парселлом и Блохом, позволял исследовать вещество в любом состоянии: в твердом, жидком и газообразном. Взаимодействие ядерных моментов с высокочастотным полем наблюдается как магнитный эффект, который легко регистрируется аппаратурой. Короче говоря, при этом измеряется поглощение энергии радиочастотного поля или определяется электромагнитная индукция в образце.

Ядерный магнитный резонанс оказался сравнительно легко реализуемым методом исследования магнитных моментов ядра. После того как он впервые был применен в 1946 г., им стали широко пользоваться для изучения изотопов химических элементов. Дальнейшее усовершенствование метода дало возможность исследовать строение электронных оболочек атомов и молекул и на этой основе — структуру вещества. Метод исследования, созданный Фелликсом Блохом и Эдвардом Парселлом, нашел широкое применение в современной науке и принес этим двум ученым в 1952 г. Нобелевскую премию по физике.

В 1947 г. два молодых физика из лаборатории Изидора Раби сделали важные открытия, касающиеся воздействия электромагнитного поля на электроны в атоме. Поликарп Каш занимался исследованием магнитного момента электрона, а Уиллис Юджин Лэмб изучал тонкую структуру спектра водорода. Их исследования сыграли большую роль в окончательном становлении квантовой электродинамики, основы которой заложили Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и Синьитиро Томонага — лауреаты Нобелевской премии 1965 г.

Результаты спектральных исследований Уиллиса Лэмба показали, что электрон в атоме водорода не движется точно по орбитам, предписанным теорией. Он как будто непрерывно колеблется, отклоняясь то в одну, то в другую сторону. Согласно квантовой электродинамике, этот эффект обусловлен взаимодействием между электроном и вакуумом.

В современной физике все более утверждается мнение, что вакуум — это отнюдь не «пустота», вакуум имеет свою микроструктуру. Так, под действием электромагнитного поля в вакууме непрерывно происходит процесс рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Именно эти так называемые виртуальные частицы нарушают движение электрона по орбите, что и обнаруживается по спектральным линиям излучения.

В опытах Поликарпа Каша с использованием метода молекулярных пучков определялось отношение магнитного момента протона к орбитальному магнитному моменту электрона в атоме водорода. Оказалось, что магнитный момент электрона больше, чем это следовало из теории Дирака. Как и результаты Лэмба, это объяснялось тем, что электрон не является «голым», а окружен виртуальными частицами-призраками, рождающимися в вакууме.

Точнейшие исследования, проведенные в конце 40-х годов, приоткрыли завесу и над тайнами других, более фундаментальных свойств материи, поставив принципиальный вопрос о структуре вакуума и вообще о существовании «абсолютного» вакуума. В последнее время стали даже поговаривать о возврате к представлениям об эфире, столь распространенным вплоть до конца XIX в., но, разумеется, на качественно новом уровне. Большой научный вклад Уиллиса Лэмба и Поликарпа Каша довольно скоро получил и официальное признание — в 1955 г. они были удостоены Нобелевской премии по физике.