(3070) מגנטיזציה של טבעת עם אלקטרונים 2009A

טבעת בעלת רדיוס \( R \) מצויה בשדה מגנטי אחיד \( B \) .
בטבעת יש 5 אלקטרונים בעלי מסה \( M \) מטען \( e \) וספין חצי.
איבר האינטראקציה של הספין עם השדה הוא \( g \frac{e}{2m} B S_z \) באשר \( S_z=\pm 1/2 \) .
שים לב ששני אלקטרונים לא יכולים לאכלס את אותו מצב.

נסמן את אנרגית מצב היסוד ב- \( E \)
נגדיר את המגנטיזציה בצורה \( \tilde{M}(B)=-dE/dB \)
נתונים: \( R, \ M, \ e, \ g\approx2.0023, \ B \)

אם לא היה לאלקטרונים ספין אז המגנטיזציה היתה פונקציה מחזורית, עם מחזור \( B_0 \) .
בהמשך השאלה אנו מניחים שהשדה המגנטי הוא \( B=\ell B_0 + \Delta B \)
באשר \( \ell \) מספר שלם ובאשר \( 0< \Delta B \ll B_0 \)
  1. רשום ביטוי עבור \( B_0 \)
  2. מצא את \( \tilde{M}(B) \) עבור \( \ell=0 \) כאשר \( \Delta B \rightarrow 0 \)
  3. בהמשך לסעיף הקודם רשום את התוספת ל- \( \tilde{M}(B) \) עבור \( \Delta B \) קטן
  4. מצא את \( \tilde{M}(B) \) עבור \( \ell \) גדול  כאשר \( \Delta B \rightarrow 0 \)
  5. בהמשך לסעיף הקודם רשום את התוספת ל- \( \tilde{M}(B) \) עבור \( \Delta B \) קטן
  6. הגדר מה זה \( \ell \) גדול
טיפ: בסעיפים 2,4 כדאי לצייר דיאגרמת איכלוס של רמות האנרגיה.