ラーモア歳差運動






ラーモア歳差運動の模式図。太い赤矢印は磁場ベクトル、細い赤矢印は粒子のスピンベクトル。粒子を負電荷とすると、磁気モーメントは緑矢印回りに歳差する。


ラーモア歳差運動(ラーモアさいさうんどう、英語: Larmor precession)は、物理学において、電子・原子核・原子などの粒子の持つ磁気モーメントが外部磁場によって歳差運動を起こす現象である。ジョゼフ・ラーモアにちなんで名づけられた。



概要


外部磁場は、粒子の磁気モーメント、あるいは角運動量(スピン角運動量や軌道角運動量)にトルクを与え、それは以下のように表される。



Γ×B→J→×B→{displaystyle {vec {Gamma }}={vec {mu }}times {vec {B}}=gamma {vec {J}}times {vec {B}}}vec{Gamma} = <br />
vec{mu} times vec{B}=<br />
gamma vec{J} times vec{B}
Γ{displaystyle {vec {Gamma }}}vec{Gamma}:トルク
μ{displaystyle {vec {mu }}}vec{mu}:粒子の磁気モーメント
B→{displaystyle {vec {B}}}{vec  {B}}:外部磁場
J→{displaystyle {vec {J}}}vec{J}:粒子の全角運動量×{displaystyle times }times クロス積

 γ{displaystyle gamma } gammaは磁気回転比と呼ばれ、磁気モーメントと全角運動量の比例関係 μJ→{displaystyle {vec {mu }}=gamma {vec {J}}}vec{mu}=gamma vec{J}を結びつける定数である。


トルクを受けることで、粒子が持つ磁気モーメントベクトルμ{displaystyle {vec {mu }}}vec{mu}、あるいは角運動量ベクトルJ→{displaystyle {vec {J}}}vec{J}は磁場方向を軸としてその周りを歳差運動する。このとき運動方程式は次式で表される。


dt=γμ×B→,dJ→dt=γJ→×B→{displaystyle {frac {d{vec {mu }}}{dt}}=gamma {vec {mu }}times {vec {B}},,,,,,{frac {d{vec {J}}}{dt}}=gamma {vec {J}}times {vec {B}}}frac{d vec{mu}}{dt} = <br />
gammavec{mu} times vec{B},<br />
, , , , ,  frac{d vec{J}}{dt}=<br />
gamma vec{J} times vec{B}

この回転運動の角周波数はラーモア周波数(Larmor frequency)と呼ばれ、以下で表される。


ωB→{displaystyle {vec {omega }}=gamma {vec {B}}}vec{omega} = gamma vec{B}

ラーモア歳差運動は核磁気共鳴(NMR)、電子スピン共鳴(EPR)、強磁性共鳴(FMR)などにとって重要である。磁場中ではラーモア周波数を共鳴周波数とも呼ばれる。


レフ・ランダウとエフゲニー・リフシッツによる1935年の有名な論文[1]は、ラーモア歳差運動による強磁性共鳴の存在を予言した。それは1946年にJ. H. E. Griffiths[2]、1947年にE. K. Zavoiskyによる実験で、それぞれ独立に確かめられた。



脚注




  1. ^ Landau, L. D.; Lifshitz, L. M. (1935年). “On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies”. Physik. Zeits. Sowjetunion 8: 153-169. 


  2. ^ Griffiths, J. H. E. (1946年). “Anomalous High-frequency Resistance of Ferromagnetic Metals”. Nature 158: 670-671. doi:10.1038/158670a0. 



外部リンク


  • Georgia State University HyperPhysics page on Larmor Frequency







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