자기 쌍극자와 자기의 존재 원리
자석이 아닌 다른 물질에 속하는 원자의 경우 원자 내부에서 회전하는 전자의 회전축이 무작위로 배열되어 있는 반면, 자석을 구성하는 원자 내의 전자의 회전축은 일정한 방향으로 배열되어 있다.
그림에 그려진 자석의 원자 구조를 살펴보자. 자석을 형성하는 원자에 속하는 전자의 회전을 그린 그림이다. 회전축의 간격이 모두 균등하기 때문에 내부의 원자에 속하는 전자의 회전 운동에 의해 발생하는 전류는 항상 이웃 원자에 속하는 전자의 회전 운동에 의해 발생하는 전류와 반대 방향으로 흐른다. 따라서 내부 원자에 속한 전자의 이동으로 인한 전류는 모두 상쇄되고 그림에서와 같이 전류는 자석의 바깥 둘레에만 흐르며 동일한 현상을 보인다. 이것은 자기 쌍극자 코어에 와이어를 감고 코어 주위에 원형 전류가 흐르는 것과 같습니다. 따라서 자성을 가진 전자석과 같은 원리로 철심에 감긴 전선에 전류가 흐르면 자석이 자석이 된다.
이 순환 전류 모음은 자기 쌍극자를 생성하는 막대 자석을 형성합니다. 그리고 가장 간단한 자기 쌍극자는 그림과 같이 원형 전류라고 할 수 있습니다. 이 순환 전류에 흐르는 전류를 a라고 하면 이 자기 쌍극자의 모멘트는 (5.14)로 정의된다. 여기서 원형전류에 의해 생성된 평면의 평면벡터이고 크기는 원형전류로 둘러싸인 면적과 같고 방향은 그림과 같이 평면에 수직이며 나사가 움직이는 방향은 오른쪽 나사는 전류 방향으로 돌립니다.
식 (5.14)로 주어진 원형 전류의 자기 쌍극자 모멘트 a는 전류를 운반하는 전자의 각운동량으로 표현될 수 있다. 순환 전류에서 전자는 1의 속도로 움직이며 순환 전류의 반경이 1g = 2이면 전류를 통한 전하가 도체의 단면적을 통과하는 시간 1g=2이므로 전류는 a로 표현할 수 있다. A = T2인 경우 자기 쌍극자 모멘트의 크기는 A= ¼(5.16)이 됩니다.
여기서 각운동량 성분이 가질 수 있는 최대값은 각운동량 양자수 1로 표현된다. 이와 같이 벡터량인 자기 쌍극자 모멘트의 2축 성분 1의 최대값을 흔히 자기 쌍극자 모멘트라고 한다. 이 비례상수는 마그네톤(magneton)으로 자기 쌍극자 모멘트를 나타내는 단위로 구체적으로 식(5.18)의 우변 분모의 질량을 전자질량이라 하면 식(5.19)을 보어 마그네톤. 보어 마그네톤은 원자의 내부 세계에 속하는 자기 쌍극자 모멘트의 단위로 사용됩니다.
요약하면, 하전 입자가 회전하고 더미 운동량을 가지고 있다면 각 운동량에 비례하는 자기 쌍극자 모멘트를 가질 것입니다. 전기 쌍극자 모멘트가 2인 전기 쌍극자에 전기장이 가해지면 전기 쌍극자는 자기 쌍극자 모멘트를 가진 자기 쌍극자에 자기장 표를 적용했을 때와 마찬가지로 (5.20)에 의해 주어진 전위 에너지를 가집니다. 자기 쌍극자 = -¼(5.21)가 되어 자기 위치 에너지를 갖게 됩니다. 따라서 각 입자의 전기 쌍극자와 자기 쌍극자는 전자기적 특성을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
전자가 원자 내의 핵 주위를 회전하고 각운동량 양자수가 1이면 전자는 식 (5.8)에 의해 주어진 자기 쌍극자 모멘트를 가집니다. 놀랍게도 회전하지 않는 전자도 자기 쌍극자 모멘트를 갖는다는 것이 실험적으로 밝혀졌습니다. 전자가 조숙한 움직임을 겪지 않더라도 원래는 자기 쌍극자 형태를 가졌습니다. 그러나 방정식 (5.17)에 따르면 각 전자는 전자 운동량이 있는 경우에만 모멘트를 가집니다. 이렇게 회전하지 않는 전자가 자기 쌍극자 모멘트를 갖는다는 사실을 실험적으로 확인함으로써 회전하지 않는 전자도 각운동량을 가진다는 것을 처음부터 판단했고, 이러한 과정을 통해 발견된 전자의 스핀이 되었다. 전자의 고유한 자기 쌍극자 모멘트는 고유한 전하 또는 질량과 마찬가지로 전자를 특징짓는 고유한 양 중 하나가 되었습니다.
여기서 이렇게 발견된 전자의 고유스핀은 전자가 회전하고 있지는 않지만 태초부터 존재했던 각운동량을 말한다. 회전운동에 의한 각운동량과 자연스핀을 구분하기 위하여 궤도각운동량이라 한다. … ., (-1+1), -1, 각운동량의 양자수에서 시작하여 1에서 -1까지 감소.
궤도각운동량의 경우 유사운동량 양자수는 정수여야 하지만, 전자 자신의 스핀의 경우 양자수 M은 반정수 값을 갖고 있어 처음에는 풀리지 않는 수수께끼였다. 전자가 회전하지 않는데도 각운동량을 갖는다는 사실과 그 각운동량의 양자수가 정수값이 아닌 반정수값을 갖는다는 사실은 한때 수수께끼였지만 디랙에 의해 이러한 문제가 바로 풀렸다. Dirac이 양자역학의 Schrödinger 방정식을 상대성 이론에 맞추기 위해 수정했을 때 방정식에서 두 가지 중요한 결과가 즉시 나타났습니다. 그 중 하나는 반입자의 존재였고 다른 하나는 독특한 스핀이었습니다. 즉, 전자의 고유세 쪽이 상대성 이론의 효과였다. 또한 상대성 이론에 따르면 소립자의 고유 스핀은 0, 1h, 2h……와 같은 정수 양자수 또는 1/2h, 3/21h.와 같은 반정수 양자수를 가질 수 있습니다. . …. 가질 수 있다고 들었습니다. 게다가, 정수이건 반정수이건 기본 입자의 고유한 스핀 양자수는 입자의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 했습니다. 정수 양자수를 갖는 입자는 보존에 속하고 반정수 양자수를 갖는 입자는 페르미온에 속합니다. 1930년대에 Dirac 방정식이 발표되었을 때, 고유 스핀 양자수가 정수일 때 보손이고 반정수일 때 페르미온인 이유는 알려지지 않았습니다.
Dirac 방정식은 이론적으로 전자가 단순히 정수의 절반인 자연 스핀을 가짐을 보여주었을 뿐만 아니라 전자의 자기 쌍극자 모멘트가 (5.24)임을 보여주었습니다. 디락 방정식이 알려주는 것은 전자뿐 아니라 모든 페르미온에 대해서도 입자가 내부 구조가 없는 소립자라면 자기 쌍극자 모멘트는 고스핀양자수의 2배에 eh/2m을 곱한 값이 되어야 한다는 것이다. 궤도 각 운동량에 대한 방정식(5.18)의 값에서 2배만큼. 즉, 고회전 스타일러스에 의한 자기 쌍극자 모멘트의 경우 궤도각운동량의 경우보다 2배를 곱해야 했다.
이제 양성자와 중성자의 자기 쌍극자 모멘트의 척도인 식 (5.11)로 돌아가 봅시다. 양성자와 중성자는 둘 다 고유 스핀이 1/2시간인 페르미온입니다. 따라서 양성자와 중성자가 내부 구조가 없는 소립자라면 양성자의 자기 쌍극자 모멘트는 Dirac 방정식으로 나타낼 수 있다. 그런데 식(5.11)에 단절이 있으므로 양성자의 자기 쌍극자 모멘트는 14g=41이 아니라 4=+2.794이고 중성자의 자기 모멘트는 0이 아니라 1=21.91m이다. 이 결과는 쿼크 이론이 나오기 전부터 이미 측정되고 알려졌으며, 양성자와 중성자의 자기 쌍극자 모멘트는 양성자와 중성자 내부의 전하 분포와 함께 양성자와 중성자가 소립자가 아니라는 강력한 증거가 되었다.