46. Ферромагнетизм. Гистерезис. Спин электрона. Опыты Энштейна и Гааза как доказательство спиновой природы ферромагнетиков.

Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью.

В более широком смысле ферромагнетизмом называется совокупность физических свойств вещества в указанном выше состоянии.

Вещества,  в которых возникает ферромагнитное упорядочение магнитных моментов,  называются ферромагнетиками. К их числу относятся кристаллы переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторых редкоземельных элементов и ряда сплавов, ферриты, а также  некоторые металлические стекла.

Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется вферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Измерения гиромагнитного отношения для ферромагнетиков на основе эффектов Эйнштейна — де Гааза и Барнетта показали, что ферромагнетизм имеет спиновую природу, т. е. обусловлен спиновыми магнитными моментами электронов атомов ферромагнетика. В атоме электроны распределяются по слоям, в каждом из которых в соответствии с квантовым принципом запрета Паули может находиться не более определенного числа электронов. Все слои атома, кроме первого (ближайшего к ядру атома), подразделяются на оболочки, число которых тем больше, чем больше номер слоя. Электроны распределяются по слоям и по оболочкам в них так, чтобы энергия атома была наименьшей. Результирующие спиновые и орбитальные магнитные моменты всех электронов, находящихся в целиком заполненной ими оболочке или слое атома, равны нулю. Атомы элементов, обладающих ферромагнитными свойствами (Fe, Со, Ni), принадлежат к числу переходных атомов периодической системы Д. И. Менделеева. В этих атомах нарушается последовательность заполнения электронами мест в слоях и оболочках. Прежде чем полностью «застроится» нижний слой, начинается заполнение выше расположенного слоя. Поэтому в переходном атоме имеются не полностью занятые электронами внутренние слои и оболочки. Например, в атоме железа 26 его электронов распределены по четырем слоям. Первый и второй слои целиком заполнены и содержат соответственно 2 и 8 электронов. Третий и четвертый слои не достроены: в третьем слое находится 14 электронов (вместо 18), а в четвертом — 2 (вместо 32). 14 электронов третьего слоя распределены по оболочкам следующим образом: в первой оболочке — 2, а во второй и третьей — по 6 электронов. Спины электронов, принадлежащих к каждой оболочке, могут быть ориентированы в двух противоположных направлениях. В застроенных первых двух слоях атома железа магнитные спиновые моменты электронов взаимно компенсируют друг друга. В третьем слое первые две оболочки также характерны тем, что спиновые магнитные моменты электронов на этих оболочках компенсируют друг друга. Что же касается третьей оболочки, то из шести находящихся на ней электронов пять имеют спины, ориентированные в одном направлении, и лишь один электрон имеет спин, ориентированный противоположно. Итак, в атоме железа спины четырех электронов в третьем слое остаются некомпенсированными. Что касается наружных валентных электронов атома железа, то нх спины, вообще говоря, тоже могут быть некомпенсированы. Однако, как показывает опыт, на магнитные свойства атома железа валентные электроны, слабо связанные с атомом, существенного влияния не оказывают.

     В изолированном атоме железа орбитальные движения электронов дают некоторый орбитальный магнитный момент. Однако при образовании кристалла железа происходит своеобразное «замораживание» электронных орбит, приводящее к тому, что орбитальные магнитные моменты электронов практически не участвуют в создании магнитных моментов атомов. Причины такого «замораживания» еще не вполне выяснены. Вместе с тем измерения гиромагнитного отношения ясно показывают, что магнитные свойства ферромагнитных веществ связаны с некомпенсированными спиновыми магнитными моментами небольшого числа электронов атома. Таким образом, ферромагнитными свойствами могут обладать только такие вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки. Однако это условие является необходимым, но не достаточным. Например, ряд атомов элементов переходной группы (Сг, Mn, Pt и др.) и редкоземельных элементов имеют недостроенные внутренние оболочки, но эти вещества являются парамагнетиками. Для объяснения самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков необходимо предположить, что в них между носителями магнетизма — спинами электронов — существует взаимодействие, способное при температурах более низких, чем точка Кюри, обеспечить спонтанную намагниченность доменов. Естественно предположить, что между спиновыми магнитными моментами существует обыкновенное магнитное взаимодействие, подобное взаимодействию двух проводников с током или двух соленоидов. Однако расчеты показывают, что энергия этого взаимодействия оказывается весьма малой величиной порядка 10^-23 Дж, так что даже при температуре жидкого воздуха средняя энергия теплового движения атомов превосходит энергию их магнитного взаимодействия. Поэтому за счет магнитного взаимодействия невозможно образование самопроизвольной намагниченности.