A model for quantized motion of an electron in a uniform magnetic field…

Question
A model for quantized motion of an electron in a uniform magnetic field B states that the flux passing through the orbit of the electron is $n(h/e)$ where n is an integer, h is Planck's constant and e is the magnitude of electron's charge. According to the model, the magnetic moment of an electron in its lowest energy state will be (m is the mass of the electron)
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Question & Answer (English)

A model for quantized motion of an electron in a uniform magnetic field B states that the flux passing through the orbit of the electron is $n(h/e)$ where n is an integer, h is Planck's constant and e is the magnitude of electron's charge. According to the model, the magnetic moment of an electron in its lowest energy state will be (m is the mass of the electron)
  1. $\frac{he}{\pi m}$
  2. $\frac{he}{2\pi m}$ — Correct Answer
  3. $\frac{heB}{\pi m}$
  4. $\frac{heB}{2\pi m}$
Explanation:
Root Concept / Basics: Electron motion in a magnetic field. Magnetic flux $\Phi = B \cdot \pi r^2$. For an electron in a circular orbit, the necessary centripetal force is provided by the magnetic Lorentz force: $\frac{mv^2}{r} = evB$, which gives momentum $p = mv = eBr$. The magnetic moment of a circulating charge is $M = \frac{evr}{2}$.

Correct Answer: $\frac{he}{2\pi m}$

Step I: Given the flux quantization condition for the lowest energy state ($n=1$): $\Phi = B \cdot \pi r^2 = \frac{h}{e}$. This implies $r^2 = \frac{h}{\pi e B}$.
Step II: The expression for the magnetic moment of a circulating electron is $M = I \cdot A = \left(\frac{ev}{2\pi r}\right) \cdot \pi r^2 = \frac{evr}{2}$.
Step III: From the force balance equation $evB = \frac{mv^2}{r}$, we get the velocity $v = \frac{eBr}{m}$.
Step IV: Substitute $v$ into the magnetic moment formula: $M = \frac{e}{2} \cdot \left(\frac{eBr}{m}\right) \cdot r = \frac{e^2 B r^2}{2m}$.
Step V: Substitute $r^2$ from Step I into this equation: $M = \frac{e^2 B}{2m} \cdot \left(\frac{h}{\pi e B}\right) = \frac{eh}{2\pi m}$.

प्रश्न एवं उत्तर (हिंदी)

एकसमान चुंबकीय क्षेत्र B में एक इलेक्ट्रॉन की परिमाणित (quantized) गति के लिए एक मॉडल बताता है कि इलेक्ट्रॉन की कक्षा से गुजरने वाला फ्लक्स $n(h/e)$ है, जहाँ n एक पूर्णांक है, h प्लैंक का स्थिरांक है और e इलेक्ट्रॉन के आवेश का परिमाण है। मॉडल के अनुसार, अपनी निम्नतम ऊर्जा अवस्था में एक इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment) होगा (m इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान है)
  1. $\frac{he}{\pi m}$
  2. $\frac{he}{2\pi m}$ — सही उत्तर
  3. $\frac{heB}{\pi m}$
  4. $\frac{heB}{2\pi m}$
स्पष्टीकरण:
मूल अवधारणा (Root Concept): चुंबकीय क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन की गति। चुंबकीय फ्लक्स $\Phi = B \cdot \pi r^2$। एक वृत्ताकार कक्षा में इलेक्ट्रॉन के लिए, आवश्यक अभिकेन्द्रीय बल (centripetal force) चुंबकीय लॉरेंज बल द्वारा प्रदान किया जाता है: $\frac{mv^2}{r} = evB$, जो संवेग $p = mv = eBr$ देता है। परिसंचारी आवेश का चुंबकीय आघूर्ण (magnetic moment) $M = \frac{evr}{2}$ होता है।

सही उत्तर: $\frac{he}{2\pi m}$

Step I: निम्नतम ऊर्जा अवस्था ($n=1$) के लिए फ्लक्स परिमाणीकरण (quantization) की स्थिति दी गई है: $\Phi = B \cdot \pi r^2 = \frac{h}{e}$। इसका तात्पर्य है कि $r^2 = \frac{h}{\pi e B}$।
Step II: परिसंचारी इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय आघूर्ण का व्यंजक $M = I \cdot A = \left(\frac{ev}{2\pi r}\right) \cdot \pi r^2 = \frac{evr}{2}$ है।
Step III: बल संतुलन समीकरण $evB = \frac{mv^2}{r}$ से, हमें वेग $v = \frac{eBr}{m}$ प्राप्त होता है।
Step IV: $v$ को चुंबकीय आघूर्ण के सूत्र में प्रतिस्थापित करें: $M = \frac{e}{2} \cdot \left(\frac{eBr}{m}\right) \cdot r = \frac{e^2 B r^2}{2m}$।
Step V: Step I से $r^2$ को इस समीकरण में प्रतिस्थापित करें: $M = \frac{e^2 B}{2m} \cdot \left(\frac{h}{\pi e B}\right) = \frac{eh}{2\pi m}$।

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