Элементарные носители магнетизма

Электрон, вращающийся вокруг ядра атома по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Поскольку это движение аналогично круговому току, возникает магнитное поле и движение электрона можно охарактеризовать орбитальным магнитным моментом.

Электроны наряду с полным зарядом е и массой m₀ обладают еще одним внутренним свойством, именуемым спином. Спин характеризует скорость вращения электрона вокруг собственной оси, так что проекция его механического момента на любое заданное направление в пространстве может иметь только два дискретных значения ± /2, где – постоянная Планка. Спиновое вращение электрона является причиной возникновения элементарного магнитного момента  _B, названного магнетоном Бора:

Ам2.

(2.8)

Каждому электрону в атоме соответствует некоторый энергетический уровень, определяемый комбинацией значений трех квантовых чисел (n, l, m) и так называемой орбиталью. Понятием орбиталь в квантовой механике заменяется классическое представление об орбите электрона.

Главное квантовое число n может принимать значения 1, 2, 3, 4,... и характеризует номер электронной оболочки, на которой находится электрон.

Орбитальное квантовое число l указывает на форму орбитали и может иметь целочисленные значения от 0 до (n -1). Орбитали с l =0, 1, 2, 3 также называются s-, p-, d- и f -орбиталями. С орбитальным движением электрона связано возникновение орбитального магнитного момента _l, единицей квантования которого также является магнетон Бора:

.

(2.9)

Для каждого заданного l существует (2 l +1) орбиталей, обладающих в отсутствие внешнего магнитного поля одинаковой энергией и отличающихся только направлением орбитального момента движения.

Возможные варианты пространственной ориентировки орбитали характеризует магнитное квантовое число m, принимающее целочисленные значения от - l до l, включая нуль

Определенный порядок в электронной структуре атома подчинен принципу Паули, в соответствии с которым одну орбиталь с конкретной комбинацией трех квантовых чисел могут занимать не более чем два электрона при условии, что они имеют противоположные спины. Принцип Паули лимитирует максимально возможное количество электронов на оболочке  не больше 2 n², и максимальное количество электронов с конкретным значением орбитального квантового числа l  не больше 2(2 l+ 1 ). Согласно этому принципу электронные оболочки с полностью заполненными орбиталями не имеют собственного магнитного момента, поскольку спиновые магнитные моменты двух электронов заполненной орбитали компенсируют друг друга из-за антипараллельной ориентации, а каждому электрону, обладающему орбитальным магнитным моментом, находится парный электрон в другой орбитали, имеющий равный по величине, но противоположный по направлению магнитный момент.