Магнитные моменты электронов и атомов

Магнитные свойства вещества

Все вещества, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием магнитных моментов у частиц вещества.

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи.

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент.

Характеристикой намагничивания материалов служит намагниченность, равная суммарному магнитному моменту атомов в единичном объеме материала.

Электрон обладает собственным моментом количества движения (механическим моментом) , называемым спином. Этот момент может иметь только две ориентации относительно внешнего магнитного поля, направленного по оси Z, такие, что две его возможные проекции по направлению этого поля равны

,

гдe: h–квант действия–одна из постоянных физики (постоянная Планка). Квант–минимальное количество, на которое может изменяться дискретная по своей природе физ.величина (действие, энергия, количество движения и т.д.)

Спину электрона соответствует спиновый магнитный момент :

Величина называется гиромагнитным отношением для спинового момента:

,

где: е – абсолютная величина заряда электрона; m – масса электрона.

Масса покоя электрона

Проекция cпинового момента электрона на ось численно равна магнетону Бора (единица магнитного момента):

,

где:

Спином электрона объясняется тонкая структура спектральных линий, расщепление этих линий в магнитных полях. Спин электрона оказывает влияние на распределение электронов по энергетическим состояниям в атомных системах. Спином объясняются также магнитные свойства ферромагнетиков.

Магнитный момент , вызванный движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом. Момент количества движения электрона: , где r –радиус вектор, v –скорость электрона

Орбитальные магнитный и механический (относительно ядра) моменты электрона пропорциональны друг другу и направлены в противоположные стороны:

,

где

Видим, что гиромагнитное отношение орбитальных моментов в 2 раза меньше, чем .

Величина для стационарного состояния электрона в атоме равна:

,

где l – орбитальное квантовое число.

, магнетон Бора.

Вектором орбитального магнитного момента атома называется векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех Z его электронов:

,

где Z- порядковый номер атома в периодической системе Менделеева.

Вектор орбитального момента количества движения определяется аналогично

,

где орбитальный момент количества движения электрона.

Для и сохраняется соотношение:

Однородное магнитное поле, в которое внесен атом, изменяет угловую скорость вращения его электронов вокруг ядра. Это изменение происходит в процессе нарастания того магнитного поля, в которое вносится атом, и является результатом возникновения индукционного вихревого электрического поля, действующего на электроны.

Если орбита электрона и вектор его орбитального момента расположены относительно вектора напряженности H магнитного поля, как указано на рис.1, то совершается прецессионное движение орбиты и вектора вокруг направления H с угловой скоростью (ларморова прецессия)

H

,

где: абсолютная величина заряда заряда

электрона;

масса электрона;

магнитная постоянная

Теорема Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на электронную орбиту является прецессия орбиты и вектора с угловой скоростью Лармора вокруг оси, проходящей через центр орбиты и параллельной вектору H.

Примечание. Прецессия (предшествование)-физ.движение оси вращения твердого тела, например арт.снаряда, при которой эта ось описывает круговую коническую поверхность.

Наличие прецессии приводит к появлению дополнительного орбитального тока и индуцированного орбитального магнитного момента электрона , направленному в сторону, противоположную вектору Н:

,

;

- среднее по времени значение квадрата проекции радиуса электронной орбиты.

Для сферически симметричной электронной оболочки атома ,где среднее значение квадрата радиуса орбиты.

Общий индуцированный орбитальный момент атома равен:

,

где: орбитальный наведенный магнитный момент электрона;

число электронов в атоме;

Намагничивание вещества характеризуют такие показатели, как:

· Магнитная индукция В (Тл);

· Напряженность магнитного поля Н (А/м);

· Намагниченность J (А/м);

· Магнитная восприимчивость ;

· Магнитная проницаемость μ;

· Магнитный поток Ф (Вб).

В фундаментальной физике для характеристики намагничивания вещества вводится понятие вектора интенсивности намагничивания (намагниченность) векторная сумма магнитных моментов атомов (молекул), находящихся в единице объема:

,

где: N- число частиц, содержащихся в объеме V магнетика;

- магнитный момент молекулы (атома).

На практике намагниченность связана с напряженностью магнитного поля (H) отношением

Магнитная индукция (B) в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей:

,

где:

магнитная индукция поля в вакууме;

магнитная индукция поля внутри вещества;

- магнитная постоянная, Гн/м.

Объединяя предыдущие выражения, получим

,

где - относительная магнитная проницаемость (в дальнейшем магнитная проницаемость).

Величина, характеризующая связь намагниченности с магнитным полем в материале, называют магнитной восприимчивостью .

Связь между относительной магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью

В зависимости от знака и значения магнитной восприимчивости материалы делят на:

- диамагнетики;

- парамагнетики;

- ферромагнетики

Диамагнетизм – имеется во всех веществах и связан с тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков (отрицательная) по абсолютному значению очень мала и не зависит от температуры и напряженности магнитного поля. Таким образом,

диамагнетик – физическое вещество способное намагничиваться под действием внешнего магнитного поля навстречу направлению поля и, таким образом, ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si,Ge), диэлектрики (полимеры) и такие металлы, как бериллий медь, серебро, свинец.

Диамагнетики подразделяются на:

· «классические»;

· «аномальные»;

· сверхпроводники.

К «классическим» диамагнетикам относятся:

· инертные газы;

· некоторые металлы (цинк, золото, ртуть и др.);

· элементы типа кремния и фосфора;

· многие органические соединения.

Для этих веществ < 0 и имеет малое абсолютное значение, порядка , и не зависит от температуры.

Ко второй подгруппе относятся висмут, галлий, сурьма, графит и др. Для этих веществ < 0, зависит от температуры и имеет абсолютные значения порядка .

Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с неполностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко и взаимодействие между ними отсутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение (от до ) и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. Таким образом, Парамагнетик – физическое вещество, обладающее положительной магнитной восприимчивостью т.е. способное намагничиваться под действием внешнего магнитного поля в направлении совпадающем с направлением поля. Они слабо намагничиваются по направлению поля, а в отсутствии поля - немагнитны.

Парамагнетики подразделяются на:

· нормальные парамагнетики;

· парамагнитные металлы с магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры;

· антиферромагнетики.

Нормальными парамагнетиками являются газы , NO и др., платина, палладий, соли железа, кобальта и никеля и сами эти металлы при > , где - точка Кюри и др. Магнитная восприимчивость > 0 и зависит от температуры по закону Кюри:

или по закону Кюри-Вейсса

,

где ─постоянные Кюри.

Константа может быть положительна, отрицательна или равна нулю.

Типичные парамагнитные металлы, у которых не зависит от температуры – щелочные металлы: литий, натрий, калий,алюминий, рубидий и цезий. Они весьма слабо магнитны .

Ферромагнетики – группа некоторых переходных металлов (железо, никель, кобальт), а также гадолиний и ряд сплавов, обладающих особыми магнитными свойствами. Они характеризуются большим значением магнитной восприимчивости и ее зависимостью от напряженности поля и температуры. Обладают самопроизвольной намагничиваемостью даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (незаполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодным в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм), либо антипараллельная (антиферромагнетизм).

Антиферромагнетики (кристаллы элементов переходных групп периодической системы Менделеева, их сплавы и хим. соединения) выше антиферромагнитной точки Кюри являются нормальными парамагнетиками с < 0.

Дата добавления: 2014-01-07