Магнитные свойства вещества

Электроны в атомах непрерывно движутся, а движущийся заряд создает электромагнитное поле. Следовательно, любой изолированный атом, как и любое состоящее из атомов материальное тело, должен взаимодействовать с магнитным полем. Количественной мерой магнитных свойств атома служит его магнитный момент д.

Известно несколько разновидностей магнитных свойств, из которых мы рассмотрим три: диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм. Диаи парамагнетизм — свойства атомов, молекул или ионов и присущи веществам независимо от их агрегатного состояния, а ферромагнетизм появляется только в твердых телах. Поскольку в практике наибольшее значение имеет именно ферромагнетизм, целесообразно рассмотреть магнитные свойства в разделе, посвященном свойствам твердых систем.

Электрон в атоме совершает два вида движения — орбитальное и спиновое. Для описания магнитных свойств атомов существенной является спиновая составляющая. Вклад орбитальной составляющей примерно на порядок меньше, чем спиновой, и обычно им пренебрегают. В таком приближении собственный магнитный момент частицы — атома, молекулы или иона — определяется ее суммарным спином. Поскольку суммарный спин двух электронов, находящихся на одной орбитали, т. е. спаренных электронов, как Вы помните (см. разд. 3.5), равен нулю, суммарный спин частицы S определяется только числом неспаренных электронов п: S = Hn. Собственный магнитный момент частицы связан с ее спином соотношением.

и однозначно определяется числом неспаренных электронов, например:

Если в частице все электроны спарены, то ее собственный магнитный момент равен нулю. Такие частицы называются диамагнитными. Если вещество, состоящее из диамагнитных частиц, поместить в магнитное поле, то в веществе появляется наведенный (индуцированный) магнитный момент, направленный против поля. Поэтому диамагнитные вещества выталкиваются из поля. Примерами диамагнитных веществ могут служить сера, вода, хлорид натрия и т. д.

Если же частица содержит неспаренные электроны, ее собственный магнитный момент не равен нулю, и она втягивается в магнитное поле. Такие частицы, как и вещества, в состав которых они входят, называются парамагнитными. Чем больше магнитный момент парамагнитной частицы, тем сильнее она втягивается в магнитное поле. Измерив эту силу (рис. 7.16), можно вычислить действительный, или эффективный магнитный момент частицы, и, сравнивая его с рассчитанным на один, два и т. д. неспаренных электрона, можно судить об их числе в парамагнитной частице. К парамагнитным веществам относятся кислород, монои диоксид азота, а также большинство соединений переходных металлов.

В некоторых случаях в кристаллах появляются новые свойства, обусловленные взаимодействием сразу большого числа частиц. При определенных межатомных расстояниях, которые еще слишком велики для образования прочных ковалентных связей, но уже достаточны для того, чтобы электроны «чувствовали» спины друг друга, возникают силы, стабилизирующие взаимную ориентацию спинов электронов. В этом случае минимуму энергии отвечает состояние, при котором спины всех электронов, а значит, и магнитные моменты атомов ориентированы параллельно. Такой случай характерен для железа и получил название ферромагнетизма.

Взаимная ориентация магнитных моментов обусловлена так называемым обменным взаимодействием электронов, о котором посмотрите, пожалуйста, в разд. 4.3. В результате этого взаимодействия в единую систему связываются 10³—10⁵ атомов, спины их валентных электронов ориентируются одинаково, что приводит к резкому усилению магнитных (точнее, парамагнитных) свойств. В результате такого взаимодействия все магнитные моменты ориентируются одинаково, что приводит к резкому усилению магнитных (точнее, парамагнитных) свойств. Энергия обменного взаимодействия соизмерима с энергией тепловых колебаний атомов в решетке, поэтому выше некоторой критической температуры взаимная ориентация магнитных моментов нарушается, и ферромагнитные вещества становятся обычными парамагнетиками (рис. 7.17).

При комнатной температуре и в отсутствие магнитного поля ферромагнитный кристалл (а тем более поликристаллическое вещество) включает очень большое число фрагментов (доменов), в каждом из которых магнитные моменты ориентированы в одну сторону, но сами фрагменты по отношению друг к другу ориентированы хаотически. Наложение внешнего магнитного поля заставляет магнитные моменты доменов ориентироваться в определенном направлении. Если энергия колебания атомов в решетке невелика, то после снятия внешнего поля взаимная ориентация доменов сохраняется и кристалл приобретает свойства постоянного магнита.

Не только железо и его соединения, но и многие другие вещества обладают ферромагнитными свойствами. Соединения кобальта, никеля, некоторых лантаноидов уже находят применение как ферромагнетики.

Специальные керамические материалы и композиции с участием железа и других элементов. обладающие ферромагнитными свойствами, — так называемые ферриты широко используются в радиотехнике.

Рис. 7.16. Принцип действия установки для измерения силы взаимодействия вещества с магнитным полем.

Возможен и другой случай взаимной ориентации, при котором в одной группе атомов спины ориентированы параллельно, а в соседней — тоже параллельно, но противоположно первой В результате общий магнитный момент равен нулю Этот случай называют антиферромагнетизмом.

Таким образом, магнитные свойства веществ несут информацию.

Рис. 7.17. Характер температурной зависимости силы х взаимодействия с магнитным полем парамагнитного (7), ферромагнитного (2) и антиферромагнитного (3) веществ Сила взаимодействия диамагнитного вещества с магнитным полем так мала, что не может быть изображена в принятом масштабе об электронном строении тех частиц, из которых состоит исследуемое ве щество. Магнитные свойства определяются прежде всего наличием или отсутствием неспаренных электронов, и эту информацию мы будем в дальнейшем широко использовать как экспериментальную базу при обсуждении электронного строения различных частиц.