اقرأ في هذا المقال
- التصميمات الكمية والعزم المغناطيسي في الإلكترون
- تطبيقات على قياس العزم المغناطيسي للإلكترون
- نظرية ديراك في العزم المغناطيسي للإلكترون
إن العزم المغناطيسي يأتي من دوران الشحنة، حيث يتم حساب عزم الدوران المغناطيسي ثنائي القطب للإلكترون إلى المرتبة الرابعة في نظرية الاضطراب، ويتم ذلك من خلال النظر في نظام لإلكترون واحد يتحرك في مجال مغناطيسي خارجي ثابت، كما يتم تحديد العزم المغناطيسي من خلال الطاقة الذاتية الخطية في المجال الخارجي.
التصميمات الكمية والعزم المغناطيسي في الإلكترون
في نموذج بور لذرة الهيدروجين يتحرك الإلكترون في مدار دائري حول البروتون، حيث يمر الإلكترون بنقطة معينة على الحلقة في وقت معين، وذلك سيساعد في حساب التيار، وبالتالي فإن الإلكترون الذي يدور حول بروتون في ذرة الهيدروجين يشبه التيار المتدفق عبر سلك دائري.
في دراسة المغناطيسية، يكون السلك الحامل للتيار ينتج مجالات مغناطيسية، لذلك من المنطقي أن ذرة الهيدروجين تنتج مجالًا مغناطيسيًا وتتفاعل مع المجالات المغناطيسية الأخرى.
إلى جانب ذلك فقد يُعد العزم المغناطيسي واحداً من أكثر الخصائص المقاسة بدقة للجسيم الأولي، وواحداً من خصائص الجسيم التي يمكن التنبؤ بها بدقة من خلال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وبالتالي يعد قياسه جزءًا أساسيًا للنموذج القياسي والديناميكا الكهربائية الكمية.
كما يتم من خلال العزم المغناطيسي للإلكترون المقيس ونظرية الديناميكا الكهربائية تحديد ثابت البنية الدقيقة الأساسي بشكل أكثر دقة من أي طريقة أخرى. إن مقارنة اللحظات المغناطيسية للإلكترون والبوزيترون هي الاختبار الأكثر صرامة لثبات تناظر (CPT) مع نظام ليبتون الذي يعد جزيء أولي من نصف دوران عدد صحيح ومكون أساسي للمادة.
تطبيقات على قياس العزم المغناطيسي للإلكترون
قياسات السيكلوترون الكمومية
تم إجراء القياس بإلكترون واحد تم تعليقه لعدة أشهر في مصيدة اسطوانية الشكل؛ يأتي المجال المغناطيسي من ملف لولبي ذاتي التدريع، وهو اختراع حصل على براءة اختراع يلغي بشكل سلبي تقلبات المجال المغناطيسي من المصادر الخارجية، كما تم اختراع مصيدة (PENNING) الأسطوانية منذ فترة طويلة لهذه القياسات.
إن المجال الكهربائي الناتج عن هندسة المصيدة المختارة بعناية جيد بما يكفي للسماح بمعالجة وكشف إلكترون واحد، حيث يمنع تجويف الميكروويف الأسطواني الذي تشكله المصيدة حول الإلكترون المعلق الانبعاث التلقائي بعامل يصل إلى مئتين أو أكثر، وذلك مع إعطاء الوقت اللازم لملاحظة حالة السيكلوترون التي يوجد بها الإلكترون قبل أن يتحلل.
استخدامات العزم المغناطيسي للإلكترون في التصميمات الكمية
- الديناميكا الكهربائية الكمية في العزم المغناطيسي ثنائي القطب للإلكترون الحر: حيث إنه ونظرًا لأن الإلكترون يدور وله شحنة كهربائية، فإنه يتصرف مثل مغناطيس صغير يتم التعبير عن قوته بقيمة (μ e)؛ ووفقًا لنظرية ديراك، فإن عزم الالكترون (μ e) تساوي تمامًا عزم الالكترون المغناطيسي.
- في التحلي الطيفي: يتم استخدام الرنين المغناطيسي بالليزر ومطياف ستارك للجزيئات التي تمتلك لحظات مغناطيسية دائمة أو لحظات ثنائية القطب باستخدام المجالات المغناطيسية أو الكهربائية الخارجية؛ لجعل المباعدة بين المستويات متطابقة مع تردد الليزر.
- في تأثير موسباور لتطبيقات رباعية الأقطاب الكهربائية النووية وثنائيات الأقطاب المغناطيسية: حيث يتم حل كل من تحولات الأيزومير وتقسيمات الهيكل فائقة الدقة بسهولة في أطياف موساور، حيث يوفر عرض الطاقة لرنين موسباور قياسًا مباشرًا؛ لعرض الحالة المثارة المتضمنة في انبعاث أشعة جاما وعملية الامتصاص.
- في علم المعادن في الخصائص المغناطيسية: حيث تمتلك الذرات لحظة مغناطيسية دائمة تعمل مثل مغناطيس قضيب صغير، وفي معظم المواد الصلبة يتم ترتيب اتجاه هذه اللحظات عشوائيًا، إذ أن الشيء الاستثنائي في المواد الصلبة المغناطيسية هو أن القوى بين الذرية تتسبب في اصطفاف لحظات الذرات المجاورة تلقائيًا في نفس الاتجاه.
- في الذرة (الشحنة والكتلة والدوران): إن للإلكترونات لحظة مغناطيسية في فيزياء الكم، حيث تقوم بربط العزم المغناطيسي قوة المجال المغناطيسي بعزم الدوران الذي يختبره جسم مغناطيسي، وبسبب دورانها الجوهري تتمتع الإلكترونات بعزم مغناطيسي مقداره −9.28 × 10 −24 جول لكل تسلا.
- في ميكانيكا الكم في دوران الالكترون والجسيمات المضادة: حيث غنقياسات العزم المغناطيسية التي تم إجرؤها من قبل عالم فيزيائي قبل عدة سنوات تربط العزم المغناطيسي للجسيم ارتباطًا وثيقًا بزخمة الزاوي، حيث أنه إذا كان الزخم الزاوي صفراً، فإن العزم المغناطيسي كذلك.
- في المغناطيس الحديدي: تمتلك أنواع الذرات عزمًا مغناطيسيًا، أي أن هذه الذرة نفسها عبارة عن مغناطيس كهربائي أولي ناتج عن حركة الإلكترونات حول نواتها وبواسطة دوران تلك الإلكترونات؛ تحت نقطة كوري الذرات التي تتصرف كمغناطيسات صغيرة في المواد المغناطيسية تصطف نفسها تلقائيًا.
- في الفريت: تصطف اللحظات المغناطيسية للذرات المكونة في اتجاهين أو ثلاثة اتجاهات مختلفة، وينتج عن الإلغاء الجزئي للمجاب المغناطيسي ويترك للفريت مجال مغناطيسي إجمالي أقل قوة.
- في المغناطيسية: البارامغناطيسية أو الجزيئات تمتلك عزم مغناطيسي دائم ثنائي القطب، حيث تعتمد مغنطة هذه المادة على نسبة الطاقة المغناطيسية لثنائيات الأقطاب الفردية إلى الطاقة الحرارية.
- في الكريستال: حيث ينتج عن دورانها لحظة مغناطيسية صغيرة؛ اللحظات المغناطيسية عبارة عن مغناطيسات صغيرة بقطبين شمالي وجنوبي، ويكون اتجاه هذه اللحظة من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي، وفي المواد غير المغناطيسية تلغي المجال المغناطيسي للإلكترون، نظرًا لوجود ترتيب عشوائي لاتجاه دوران الإلكترون.
نظرية ديراك في العزم المغناطيسي للإلكترون
تم إعادة النظر في عزم الدوران المغنطيسي للإلكترون في شكل ميكانيكا الكم النسبية، حيث يحسب العزم المغناطيسي لإلكترون ديراك بدون زخم زاوي مداري، حيث يُستنتج أن اللحظة المغناطيسية التي تم الحصول عليها قد تكون لحظة الدوران المغناطيسية؛ لأنها لا تحدث أبدًا بسبب الحركة المدارية، ويتم العثور على تيار انتقالي يتدفق من حالة الطاقة الإيجابية إلى حالة الطاقة السلبية في بحر ديراك.
يعتبر الدوران والعزم المغنطيسي أساسيان وأهم المفاهيم في الإلكترونيات السينية، وهو مجال بحث جديد في توسع كبير، وقد وجد أن عزم الدوران المغناطيسي يبدو أنه ناتج عن معادلة تعريفية معروفة للعزم المغناطيسي، فمثل هذه الحالة لا تحدث أبدًا في ميكانيكا الكم غير النسبية.
ومع ذلك، في ميكانيكا الكم النسبية يتمتع الإلكترون بدرجة أخرى من الحرية، وهي حركة مرتجفة للإلكترون النسبي، حيث قام العلماء بالتحقيق حول أصل عزم الدوران المغناطيسي للإلكترون والحركة المرتجفة المتعلقة به وأهميته، حيث تم التنبؤ بديناميكيات (Zitterbewegung) المرصودة للإلكترون الذي يتحرك في نطاق ضيق، وفي أشباه الموصلات ذات الفجوة وفي صفائح الجرافين وأنابيب الكربون النانوية والموصل الفائق.
وفي نهاية ذلك فإن الإلكترون هو جسيم مشحون بشحنة سالبة، ويحدث الزخم الزاوي من خلال الحركة المدارية والدوران التي تأتي من الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، ثم يحدث من خلال هذا الدوران لشحنة الكهربائية ثنائي القطب المغناطسي ما يسمى بالعزم المغناطيسي.
