Природа диамагнетизма

Если ось быстро вращающегося волчка не совпадает с вертикалью, то этот волчок помимо вращения вокруг своей оси, совершает также вращение вместе с осью вокруг вертикали. Это дополнительное движение называют прецессией. Проходит под действием силы тяжести Р. Аналогичная картина наблюдается при помещении атома в магнитное поле электронов, двигающихся по орбите, создает замкнутый ток, обладающий магнитным моментом. Магнитное поле, стремится развернуть орбиту электронов перпендикулярно напряженности внешнего поля Н. Это вызывает прецессию орбиты вокруг направления поля. Расчет показывает, что угловая частота такой прецессии определяется следующим соотношением:

- Ларморова частота

e и m_e заряд и масса электронов.

Прецессия электронной орбиты с чистотой w1эквивалентна дополнительному движению электрона вокруг поля H. Это дополнительное движения электрона приводит к возникновению тока, которое называем Δ I

Возникает дополнительный магнитный момент Δ M

где S- площадь контура, который описывает электроны вследствие прецессии вокруг H

Природа Δ M: тело, которое имеет атомы, должно обладать диамагнетизмом. В магнитном поле каждый электрон приобретает индивидуальный магнитный момент, направленный противоположно полю появление этого момента и обуславливает диамагнетизм. Диамагнетизм присущ всем веществам. Часто он не заметен на фоне парамагнетизмов и ферромагнетизмов. В чистом виде диамагнетизм встречается и веществ, у которых результат магнитный момент равен нулю. В твердых телах свободные носители заряда, имеющие отличную от нуля компо.... скорости, перпендикулярно магнитному полю, описывают круговые орбиты и создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю. Газ свободных носителей обладает диамагнитным моментам, который называют диамагнетизмом свойств носителей или диамагнетизмом Ландао.

Природа парамагнетизма.

Парамагнетизм наблюдается у веществ, атомы которых обладают отличным от нулю результатам магнитным моментом, то есть представляют собой элемент магнитной диполи, взаимодействие между которыми достаточно мало. Вспомним природу магнитных моментов атомов: каждый электрон движется вокруг ядра и создает замкнутый ток J υ- частота обращения электрона по орбите

Магнитный момент тока М: , где

; v- минимальная скорость движения электрона по орбите; r- радиус орбиты после подстановки.

Магнитный момент электрона (8)

Обусловленный движением электрона вокруг ядра, называют орбитальным магнитным моментом. μ_e направлен перпендикулярно плотности орбиты противоположно механическому моменту импульса и этот механический момент импульса Le имеет вид

(9)

Сравнивая 8 и 9 мы получим, что орбита магнитного момента

В соответствии с законами квантовой механики

Где е орбитальное квантовое число.

Поэтому орбитальный магнитный момент μ_e

(10)

μ_B – магнетон Бора

Если электрон движется и обладает магнитным моментом, то он хар-ся … электрон вращается вокруг своей оси.

Спиновой магнитный момент μ_S. Проекция μ_S на направление напряженности магнитного поля может принимать только L значения.

Зная орбитальные и спиновые моменты, используя правило пространственного квантования, можно определить результативный магнитный момент атома в целом μ_j

(12)

где i – внутреннее квантовое число атома. I - определяются через орбитальные и спиновые числа атомов электрона.

g - множитель Ланде (фактор Ланде).

g = 1-для чисто орбитального магнетизма.

g =2-для чисто спинового магнетизма.

По законом квантовой механики проекция μ_j – на направления напряженности внешнего магнитного поля.

(13)

m_j- магнитное квантовое число атомов.

(14)

из (14) следует, что магнитное квантовое число при данном значении i- внутреннее число атомов, может принимать (2j-1) значений.

В магнитном поле Н атом, имеет магнитный момент μ_j, обладает магнитной энергией U_m

Где Q – угол между μ_j и напряжением внешнего магнитного поля Н.

- проекция на напряжения внешнего магнитного поля.

значение U_m мы получим при Ө=0. Поэтому все атомы, как магнитные диполи стремятся ориентироваться в напряжении поля. Результативный магнитный момент вещества складывается из проекций магнитных моментов отдельных атомов на направление Н.

Парамагнитный резонанс.

Если на парамагнетик, находится в постоянном магнитном поле, воздействовать переменным электромагнитным полем, то можно вызвать переходы атомов с низких уровней на более высокие. Согласно спектроскопическим правилам отбора разрешенными переходами являются лишь такие, при которых магнитно квантовое число меняется на единицу, то есть переходы между соседними уровнями с разностью энергии равной (- напряженность внешнего поля)

Такие переходы может вызвать электромагнитное поле, кванты энергии которого удовлетворяют равенству:

(16)

Поэтому при выполнении условия (16) наблюдается интенсивное поглощение энергии электромагнитного поля.

Равенство выражает условие электромагнитного резонанса (ЭМР).

Явление резонанса состоит в интенсивном поглощении электромагнитной энергии веществом определенной частоты. Поэтому такое поглощение называют резонансным, из равенства частота поглощения зависит от напряженности постоянного магнитного поля. Условия равенства относится к отдельным изолированным атомам, которые обладают магнитными моментами. Это условие остается справедливым и для тел, если магнитное воздействие между атомами пренебрежимо мало. Такими телами являются парамагнетики. Поэтому рас-ный резонанс называют электронным парамагнитным резонансам (ЭПР). Нарисуем принцип схему установки для наблюдения ЭПР.

Образец – в постоянном магнитном поле Н0; на образец накладывается созданное генератором высокочастотное магнитное поле, вектор напряженности которого перпендикулярно Но. Изменением частоты скорости электромагнитного поля и напряженности постоянного поля Но можно достичь резонансного поглощения высокочастотной энергии в нашем образце. С помощью электронного парамагнитного резонанса были исследованы состояния с инверсионным заполнением уровня (лазеры). Электронный парамагнитный резонанс используется для изучения механизма химических реакций, исполняются биохимические реакции в биологических объектах. Электронный парамагнитный резонанс инструмент для изучения зонных структур твердых тел.

Природа ферромагнетизма.

Ферромагнетизм присущ только твердому состоянию вещества, свободные атомы ферромагнетиков не обладают какими либо особыми магнитными свойствами, но индукция ферромагнетиков уже в слабых магнитных полях достигает заметной величины, в то время как для парамагнетиков в тех же полях оно на пять порядков меньше. В ферромагнетизмах существует внутренний лопек поле, под действием которого ферромагнетики даже в отсутствии внешнего магнитного поля намагничиваются до насыщения. Внешне такая спонтанная намагниченность не проявляется, так как тело разбивается на отдельные микроскопические области, в каждых из которых магнитные моменты атомов расположены параллельно друг другу. Сами области …. друг относительно друга хаотично.. результирующий магнитный момент ферромагнетика является равным нулю. Такие области спонтанной намагниченности называется доменами.

Ферромагнетизм обусловлен спиновыми магнитными моментами атомов. Спиновые магнитные моменты электронов, не скопление в атомах, является элементарными носителями ферромагнетизма. Силы встраивающие спиновые моменты, возникают в результате обычного взаимодействия магнитных спинов. Энергия такого спин- спинового взаимодействия по порядку величины равно:

а- расстояние между атомами в решетке ферромагнетика.

Если подставить в U_m значения всех констант, то окажется, что - это приблизительно на два порядка меньше энергии тепла движения атомов решетки при комнатной температуре. Тепловое движение атомов решетки стремится разрушить упорядочное расположение спинов. Молекулярное поле имеет электростатическую природу и возникает в результате обменного взаимодействия электронов внутренних недостроенных оболочек атома …высказано предположение. В приближенной теории изменение энергии электронной системы из двух атомов или ионов при изменении взаимной ориентации их спиновых моментов записывается:

- обменная энергия.

Где i– обменный интеграл

Si, Sj- результативные спиновые моменты взаимодействия атомов

j момент быть как „ + ”, так и „ - ”. Обменные интегралы рассчитывались различных материалов.

а – межатомные расстояния в решетке

d – диаметр внутренних недостроенных оболочек некоторых элементов.

Из рисунка видно, что у элементов, у которых железа, кобальта, никеля, гадолиния обменный интеграл положителен, а у марганца, хрома обменный интеграл < 0. Знак обменного интеграла определяет, какая ориентация спинов у электронов, участвующих в образовании обмена связи является выгодной, параллельной или анти параллельной. Для „ + ” j обменная энергия отрицательна. Энергия системы в целом ↓ в том случае, если спины атомов Si и Sj параллельны друг другу: Si ↓↓ Sj. У марганца и хрома j < 0 вследствие чего обменная энергия > 0, выгодным является анти параллельное расположение спинов и соседних атомов решетки Si↓↑ Sj.

Если пост-ую решетки, например марганец, ↑, то марганец можно превратить в ферромагнетик. Эксперимент это подтверждает (введение в марганец небольшого количества азота вызывает ↑ параметра, а → наблюдается ферромагнетизм).

Ферромагнетизмами являются сплавы марганца, меди, алюминия – сплавы Гейслера, соединение MnSb, MnBi – обладают ферромагнитными свойствами, то есть атомы марганца находятся на расстояниях больших, чем в решетке чистого марганца. Таким образом наличие в атоме внутренних недостроенных оболочек и „+” знак обменного интеграла является теми условиями, при которых возникает ферромагнетизм. Si = Sj = S Если спины взаимодействующих атомов равны по модулю и образуют между собой угол Q, то выражение для обменной энергии можно записать следующим образом.

Рассмотрим магнитную кристаллографическую анизотропию. Согласно упрощенному подходу для энергии состояние электронов важна лишь параллельности или перпендикулярности спиновых моментов соседних атомов в кристалле. Как показывает эксперимент, небезразлично, как направлены относительно кристаллографических осей параллельные или перпендикулярные спиновые магнитные моменты. В кристалле … направление ориентации магнитных моментов с минимальной обменной энергией. Эти направления называют осями легкого намагничивания. Есть направления ориентации магнитных моментов с максимальной обменной энергией, такие направления называются осями трудного намагничивания.

Дата добавления: 2014-01-06