Наиболее интересными типами магнетизма являются его основные типы, возникающие в веществах, у которых по меньшей мере часть атомов является магнитными. Приступая к рассмотрению этих вопросов, сначала необходимо хотя бы кратко остановиться на диамагнетизме, который присущ каждому электрону, движущемуся по орбите. У каждого электрона в каждом атоме при приложении внешнего магнитного поля проявляется индуцированная магнитная восприимчивость, однако эти индуцированные моменты оказываются очень слабыми. Диамагнетизм всегда присутствует, но его можно выявить лишь в тех случаях, когда все электроны вещества спарены, что исключает существование постоянных диполей. Для изучения диамагнетизма можно воспользоваться моделью атома (или ионного остова атома), в которой все электроны оказываются спаренными (имея в виду, что аналогичная слабая реакция на магнитное поле должна также иметь место и для магнитных атомов). В отсутствие магнитного поля движение электронов сферически симметрично; угловой момент равен нулю, как и циркулирующий вокруг ядра электрический ток и магнитный момент. Если теперь приложить магнитное поле Н, то соответствующая ему величина В будет определять действующую на каждый электрон силу Лоренца £vXB. Правило Ленца описывает это взаимодействие: при изменении магнитного потока в контуре индуцируется электрический ток такого направления, что он препятствует изменению потока. Магнитная сила нарушает равновесие между центробежной и центростремительной силами таким образом, что частота орбитального движения электрона, обладающего орбитальным магнитным моментом, параллельным полю, уменьшается, а частота орбитального движения электрона с орбитальным магнитным моментом, антипараллельным полю, возрастает. 8 Исключением является ядерный парамагнетизм твердого водорода, который был измерен В. Лазаревым и Л. Шубниковым [Lazarew W., Schubni- kow L — Phys. Z. Sowjetunion, 11, 445 (1937)1. Очень слабый парамагнетизм протонов этого вещества удалось измерить благодаря диамагнетизму системы электронов. 530 Гл. 5. Диэлектрические и магнитные свойства твердых тел Изменение частоты орбитального движения можно определить из простого классического анализа (задача 5.7); это изменение есть ларморова частота прецессии: Лео = — . (5.69) Все Z электронов атома прецессируют в одном и том же направлении, что эквивалентно появлению циркулирующего тока '—(■*£■)—(■£■)■ <5-го> Мы уже приводили формулировку закона Ампера, согласно которому магнитный момент витка с током равен произведению величины циркулирующего тока на площадь витка. Таким образом, индуцированный ток, определенный соотношением (5.70), приводит к появлению магнитного диполя. Если средний квадрат расстояния электронов от ядра атома равен (г2), то средний квадрат смещения в плоскости, перпендикулярной В, есть (2<г2)/3), а эффективная площадь витка с током равна (2я(г2)/3). Следовательно, атомный ди- польный момент равен цяиа = (2я/ <г*)/3) = ~( Ze2^B ) * (5J1) Из выражения (5.71) видно, что индуцированная намагниченность отрицательна и, следовательно, объемная диамагнитная восприимчивость Хдаа= (+М/Н)~ ( + \10М/В) также отрицательна. Величина %ш безразмерна и для диамагнитных веществ много меньше единицы. Чтобы получить выражение для хдаа, заменим ([i0M/B) на (М/Н). Из формулы (5.71) можно получить, что для вещества, в каждой единице объема которого содержится N атомов одного сорта, Хдиа = — (VoNZe* <r2)/6m). (5.72) Тот же результат получается и при решении квантовомеханиче- ской задачи, как показано, например, в книге Ван-Флека, которая приведена в библиографии к этой главе. Используя типичные для твердого тела величины N и (г2), с помощью выражения (5.72), получаем, что диамагнитная восприимчивость Хдиа ——Ю-5. Эта величина сравнима с экспериментально определенными значениями диамагнитной восприимчивости, как показывают последние пять строк табл. 5.3. Диа- 5 2. Магнитные свойства твердых тел 531 Таблица 5.3. Некоторые парамагнетики и диамагнетики Л^ериал Парамагнитная восприимчивость ЭСт(приГ=300К) Диамагнитная восприимчивость Платина +2,9-10~4 Хром +2,7-Ю-4 Ниобий +2,6-10-4 Алюминий +2,2-Ю-5 Литий +2,Ь10~5 Кальций +1,9- Ю-5 Натрий +9,1-Ю-6 Кислород (при нормальных условиях) +1,9- Ю-0 Азот (при нормальных условиях) Кремний Медь Галлий Ртуть Висмут —5,0-10-° —4,2-10-° —9,5-10-* —2,3-Ю-5 —2,9-Ю-5 —1,6-ю-4 магнетизм присущ инертным газам (как в твердом, так и в газообразном состоянии), а также положительным и отрицательным ионам твердых тел с заполненными электронными оболочками. Более сложные модели диамагнетизма, включая диамагнетизм молекул, в которых атомы связаны ковалентными связями, описаны в монографии Ван-Флека.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Диамагнетизм» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
