Реферат: Кристаллы в природе

  В настоящее время доказано, что электрон, помимо орбитальных магнитных и механических моментов, обладает ещё и собственными магнитными и механическими моментами, получившими название спиновых моментов Рспин и Lспин.

  Первоначально спиновые моменты связывали с вращением электрона вокруг своей оси. Благодаря этому и возник термин «спин». Но оказалось, что такое представление неправомерно. Величина спинового магнитного момента Рспин, рассчитанная по значению заряда  электрона и скорости его предполагаемого вращения, не совпадает со значением Рспин, полученным экспериментально. Законы движения электронов более сложны и не могут быть описаны на основе классических представлений.

  Электрон обладает рядом свойств, которые характеризуются не только его зарядом и массой, но также спиновым магнитным моментом и собственным механическим моментом; Рспин и Lспин  электрона такие же неотъемлемые характеристики электрона, как его заряд е и масса m.

Рспин и Lспин  характеризуются спиновым гиромагнитным отношением:     Гспин=   Рспин/ Lспин=е/m, т.е. Гспин=2Горб.

   Собственным магнитным моментом обладают также протоны и нейтроны. Но их собственные магнитные моменты на три порядка меньше спинового магнитного момента электрона. Естественно, в первом приближении можно пренебречь  магнитными моментами протонов и нейтронов, т.е. магнитным моментом ядра. В электронной теории магнетизма считают, что магнитные свойства атома целиком определяются электронами.

  Полный магнитный момент атома Рат представляет собой геометрическую сумму  орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, принадлежащих данному атому. Если в атоме Z электронов, то Рат=∑z1P0+∑z1Рспин.

  В случае твёрдых тел результаты этого сложения зависят т взаимодействия частиц в твёрдом теле. Разные вещества обладают различными магнитными свойствами.

6.3 Классификация тел по магнитным свойствам

Cамое простое деление тел по магнитным свойствам сводится к выделению слабомагнитных и сильномагнитных тел. известно также деление веществ по магнитным свойствам на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

  Впервые деление веществ по магнитным свойствам предложил уже более ста лет назад М.Фарадей. Он помещал образцы различных веществ в неоднородное магнитное поле и обнаружил, что часть из них втягивается из области с малой индукцией в область большей индукции и устанавливается вдоль линии индукции поля, а часть выталкивается из области магнитного поля с большим значением индукции, устанавливаясь поперёк линии индукции. первую группу он назвал парамагнетикой(вдоль), вторую- диамагнетикой(поперёк).

   Среди парамагнетиков бала обнаружена группа веществ, обладающая особо сильными свойствами, как бы сверхпарамагнетики. К ним в первую очередь относятся железо, никель и кобальт. впоследствии их выделили в особый класс ферромагнитных веществ.

   Все эти вещества характеризуются различной магнитной проницаемостью μ: для диамагнетиков μ<1, для парамагнетиков μ>1, но и в том и в другом случае μ лишь незначительно отличаются от единицы.  для ферромагнетиков μ>>1. Но не только в этом отличие ферромагнитных свойств.

   Магнитная проницаемость ферромагнетиков  μ не является постоянной величиной, а зависит от индукции внешнего поля В0. Характер данной зависимости приведён на рисунке 45в.

                                     

                                                                           рис.45в

  Ферромагнетики обладают остаточным магнетизмом, т.е. могут сохранять намагниченность и при отсутствии внешнего намагничивающего поля.

   Для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис - явление, возникающее при перемагничивании ферромагнитного образца. Сущность магнитного гистерезиса состоит в том, что изменение намагничивание образца I отстаёт от изменений индукции магнитного поля   В0. При этом I=В-В0=(μ-1)В0.  при некоторой температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства и превращается в обычный парамагнетик.  

6.4. Диамагнетизм. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов

Атомы диамагнитных веществ, при отсутствии внешнего намагничивающего поля не имеют магнитного момента. Орбитальные и спиновые моменты всех электронов этих атомов скомпенсированы. Если же диамагнитное тело поместить в магнитное поле, то в нём возникнет дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Как это объяснить?

    Объяснение основано на применении к атому, помещённому в магнитное поле, правило Ленца. В момент включения магнитного поля или внесении диамагнитного вещества в область, где поле уже есть, в атомах должны возникнуть индукционные токи. В действительности в атоме движутся электроны, а магнитное поле как-то изменяет движение этих электронов и эквивалентный этому движению электронов ток. Но для простоты объяснения будем говорить об индукционном токе. Согласно правилу Ленца направление индукционного тока таково, что поле, им созданное, направлено против намагничивание поля В0. Возникший дополнительный орбитальный магнитный момент электрона направлен против поля. Данный эффект продолжается и после исчезновения э.д.с. индукции, когда магнитное поле не меняется. Объясняется это отсутствием сопротивления движению электронов в атоме, вследствие чего индукционный ток в нём не затухнет и после исчезновения э.д.с.

   Если орбитальные магнитные моменты разных электронов в атоме могут скомпенсировать друг друга, то дополнительные магнитные моменты электронов, направленные у всех электронов против поля, суммируются, т.е. возникает суммарный дополнительный магнитный момент атома.

Возникновения диамагнетизма можно объяснить ещё и изменением частоты обращения электрона вокруг ядра.

  Рассмотрим случай, когда плоскость орбиты электрона перпендикулярна к вектору В0 магнитного поля (рис46). На электрон в этом случае, кроме кулоновской силы Fк, действует сила Лоренца Fл, равная evB0. Равнодействующая сила при этом равна либо сумме, либо разности Fк  и  Fл, поэтому и центростремительное ускорение в этих двух случаях различно. Оно или увеличится или уменьшится, соответственно изменяется и частота обращения электрона вокруг ядра.  Это изменение частоты и обусловливает появления дополнительного магнитного момента, так как изменяется сила эквивалентного тока.

                                                 рис. 46

   Во всех же других случаях происходит так называемая прецессия электронной орбиты в магнитном поле.

Диамагнитный эффект присущ всем атомам без исключения, но по величине он незначителен.  Обнаружить диамагнитный момент удаётся лишь в том случае, когда он не подавляется более сильным парамагнитным эффектом.

 Диамагнетиками являются все инертные газы, а также металлы (медь, серебро, золото, бериллий, цинк, кадмий, бор, галлий, свинец, сурьма, висмут и др.).

                                     

                                                      

6.5. Парамагнетизм

 У парамагнетиков атомы и молекулы имеют постоянный магнитный момент, т.е. магнитные моменты частиц, их составляющих, не скомпенсированы. Такие атомы и молекулы в магнитном поле ведут себя как магнитная стрелка, устанавливаясь по полю.

  При рассмотрении поведения парамагнитных веществ в магнитном поле надо учитывать, что магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов, а тепловое движение, наоборот, оказывает дезориентирующее действие. В результате действия обоих факторов устанавливается некоторое распределение магнитных моментов тела.

На рисунке 48 показаны магнитные моменты атомов парамагнетика при отсутствии внешнего магнитного поля.

                  

                                            рис. 48                                             рис. 49

Магнитные моменты отдельных атомов ориентированы равновероятно и по всем направлениям и средний магнитный момент всего тела равен нулю.

  На рис 49 показано, как при действии внешнего магнитного поля в парамагнетике возникает преимущественное направление элементарных магнитных моментов. Средний момент тела теперь отличен от нуля, и тело намагничивается по полю. Очевидно, что степень ориентации магнитных моментов по полю зависит от величины индукции поля.

  Для парамагнетиков характерна некоторая зависимость намагниченности от температуры.

  Парамагнитных веществ много, это некоторые газы (N2, О2 и др.), соли лантаноидов, железа, кобальта, никеля, а также многие металлы (щелочные металлы, магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец, платина, палладий) и др.

   

6.6. Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма.

   Носители ферромагнетизма были установлены с помощью опытов по гиромагнитным явлениям. В этих опытах определялась гиромагнитное отношение Г.

  Рассмотрим один из самых интересных гиромагнитных опытов - опыт Эйнштейна и де Газа, осуществлённый в 1915г. В этом опыте железный цилиндр помещали в соленоид и подвешивали на тонкой кварцевой нити по оси соленоида (рис50).

 По соленоиду можно было пропускать ток. На кварцевой нити укрепляли зеркальце, на которое направляли луч света. После отражения от зеркальца этот луч попадал в виде «светового зайчика» на экране. При малейших закручиваниях нити поворачивалось и зеркальце, а световой зайчик на экране смещался. Получился весьма чувствительный индикатор закручивание нити.  Чтобы разобраться в опыте Эйнштейна и де Газа, необходимо уяснить сущность закона сохранения импульса. Оказывается, каждое вращающееся тело обладает некоторым моментом импульса Р, который определяется скоростями и расстояниями тел или частиц тел относительно оси вращения. Чем больше скорости v (или ω) и расстояние точки от оси вращения, тем больше величина Р.

Установлено, что если на тело не действуют никакие силы, способные изменять его вращения, то момент импульса Р сохраняется (Р=const). Ряд опытов и часто наблюдаемые в жизни  явления очень хорошо подтверждают законы сохранения момента импульса. Наиболее простой пример - вращение фигуриста. Если фигурист вращается, то стоит ему прижать руку к телу, как угловая скорость его вращения  возрастёт. Если же наоборот раскинет руки, то угловая скорость его вращения уменьшится. Дело в том, что момент импульса при вмещении фигуриста не должен изменяется. Но эта величина зависит от угловой скорости ω и расстояния от оси вращения r. Поэтому, когда фигурист прижимает руки, r уменьшается, ω - возрастает.

      Обратимся теперь к интересующему нас опыту Эйнштейна и де Газа. Если намагнитить стержень, пропустив по соленоиду ток определённого направления, то все орбитальные и спиновые моменты в сердечнике должны сориентироваться по полю.

                                              

                                                                                                   рис. 50                                                

 

Определённым образом должны сориентироваться и механические моменты атомов. Если же теперь сердечник перемагнитить, изменив направление тока в соленоиде, то должна произойти переориентация, как  магнитных моментов, так и их механических моментов. А стержень в результате этого должен вращаться. Однако  возникшие в опыте Эйнштейна и де Газа при такой его постановке эффект весьма незначителен и учёные усилили его, воспользовавшись явлением механического резонанса. На соленоид подавалось переменное напряжение, частота которого совпадала с частотой собственных крутильных колебаний системы. Световой зайчик в этом случае смещался вполне заметно.

   В опыте Эйнштейна и Де Газа было определенно гиромагнитное отношение Г. Оно оказалось равным е/m, т.е. ферромагнетизм обусловлен не орбитальными, а спиновыми магнитными моментами.

6.7. Ферромагнетизм и кристаллическая решётка. Доменная структура ферромагнетиков.

Возникает вопрос: почему у парамагнетиков не появляются свойства, присущие ферромагнетикам, ведь спиновые магнитные моменты есть и у электронов атомов парамагнетиков. Оказывается, дело не только в наличии нескомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов, но и в существовании особого взаимодействия между этими электронами в теле.

  Ферромагнетизм присущ не любым веществам и веществам не в любом состоянии, а возможен лишь в кристаллическом состоянии некоторых веществ и при температурах ниже некоторой температуры, определённой для данного вещества. Это -  вещества, у которых в электронной оболочке есть незаполненные внутренние слои, в них и получаются нескомпенсированные спиновые моменты.

  Объяснения сильной намагниченности ферромагнетиков впервые пытался дать русский физик Б.Л.Розинг, который в 1892 г. высказал предположение о том, что в ферромагнетиках под действием особых сил возникают определённые намагниченные участки. В 1902г. французский физик П.Вейс высказал гипотезу о наличии в ферромагнитном кристалле областей - доменов, которые намагничены до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и общий магнитный момент тела равен нулю. В магнитном поле эти намагниченные участки ориентируются по полю.

  Гипотеза Вейса о доменной структуре ферромагнетиков получила теоретическое обоснование лишь в 1935г. в работах советских физиков Л.Ландау и Е.Лившица.

   Было установлено, что существуют особые силы, описываемые квантовой механикой, которые заставляют все спины внутри домена выстраиваться параллельно.

 Хотя линейные размеры доменов невелики (от 10-2 до 10-5см), их удаётся наблюдать в микроскопе. Ещё в 1931 г. советские физики Н.Акулов и М.Дехтяр, а также независимо от них американский физик С.Биттер предложил метод наблюдения доменной структуры ферромагнетиков, получивший название метода порошковых фигур. Поверхность кристалла ферромагнетика полируют и наносят на неё каплю водной суспензии тонко измельчённого ферромагнитного порошка, частицы которого оседают на границах доменов. Благодаря этому они становятся видимыми в микроскоп.

6.8. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм (ферриты).

У ферромагнетиков есть домены, в которых все спины ориентированы параллельно (рис52,а). В 1933г. Л.Ландау предсказал, что должны существовать вещества, у которых спины в доменах ориентированы антипараллельно (рис52,б). Такие вещества действительно существуют(MnO, MnS,NiCr и др.), и они получили название антиферромагнетиков. Пока эти вещества не получили практического применения, но теоретическое их изучение представляет очень большой интерес.

                                         а                                            б       рис. 52

Кристаллическую решётку антиферромагнетика можно рассматривать в простейшем случае как совокупность двух пространственных решёток, как бы «вдвинутых» одна в другую. Каждую из таких решёток называют подрешёткой. Ориентация магнитных моментов в каждой подрешётке одинаковая у всех элементов подрешётки, а во «вдвинутых» друг в друга подрешётках - антипараллельная.

  Каковы же свойства антиферромагнетиков? При низких температурах магнитная проницаемость этих веществ мала. С ростом температуры наблюдается увеличение значения магнитной проницаемости μ. Но есть определённая температура, при которой вещество теряет свои антиферромагнитные свойства и при более высокой  температуре ведёт себя уже как обычный парамагнетик. Эта точка у антиферромагнетиков, аналогичная точке Кюри для ферромагнетиков, получила название точки Неля.

   Антиферромагнетики трудно отличить от других магнитных веществ. Легче всего это сделать путём определения зависимости магнитной проницаемости вещества от температуры. Если у вещества есть максимум проницаемости при некоторой температуре, то это антиферромагнетик. Эта температура - точка Неля.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11