Ферромагнетиктердің спонтанды магниттелінуінің табиғаты

Теория Вейсс теориясы ферромагнетиктердің қасиеттерін түсіндірді, бірақ неліктен ферромагнетикатер спонтанды магниттелінеді?- деген сұраққа жауап берген жоқ. Неліктен доменнің ішінде ферромагнетика қанығу күйіне дейін магниттелінеді? Бұл сұрақтарға тек қана кванттық механика жауап береді.

Жалпыға белгілді ферромагниттік элементтер: темір ( ), никель ( ) және кобальт ( ). Ферромагниттік қасиеттерге сонымен қоса, өте сирек кездесетін екі элемент: гадолиний ( ) және диспрозий ( ) жатады, бірақ олар іс жүзінде қолданылмайды, себебі олардың Кюри температуралары аз, сәйкесінше 289 К және 105 К тең.

Темірдің гиромагниттік қатынасының тең екендігі, заттың ферромагнетик болуына «спин»-нің жауап беретінін көрсетеді, яғни электрондардың меншікті магниттік моменттері. Егер домен қанығу шамасына дейін магниттелетін болсап, онда электрондардың меншікті магниттік моменттері бір бағытта бағытталады. Нелліктен? Ферромагнетизмнің табиғаты қатты денелердің электрондық құрылымымен байланысты. 7.1 – кестеге көңіл бөлейік.

7.1 – кесте  Ферромагнетиктердің сипаттамалары

Элемент	Атомның соңғы екі қабықшасының электрондық конфигурациясы	Атом радиусы,	Кюри температурасы, К
26. 27. 28.		1,24 1,25 1,25	1043 1404 631

Мұнда ферромагнитті элементтердің кейбір параметрлері берілген. Ең бастысы, барлық ферромагниттер Менделеев кестесіндегі ауыспалы топ элементтері. Здесь приведены некоторые параметры ферромагнитных элементов. Прежде всего: все ферромагнетики – элементы переходной группы таблицы Менделеева. Оған дейінгі соңғы қабат (d-қабықша) толық толтырылмаса да, соңғы (валенттік) электрондық қабықша толтырыла береді. Соңғы қабықша толығымен толтырылған, оның магниттік моменті нөлге тең. Темір, мысалы алты 3d – электрондарға ие (толтырылған d қабықшада 10 электрон бар). спектрлерін зерттеулер осы алты электронның бесеуінің спиндері бір бағытта, ал біреуінің спині қарама-қарсы бағытта бағытталғанын көрсетеді. Бұл атомның спиндік магниттік моменті , мұндағы - электронның спиндік магниттік моменті.

Электрондар спиндерінің осылай орналасуларын қалай түсіндіруге болады? Бұл сұраққа жауапты Паули принципіне негізделген өзара әсерлесулердің электростатикалық энергиясына үлесі бар «алмасу энергиясы» деп аталатын шаманы ескере отырып табуға болады. Екі 3d электрондар спиндері бір бағытта болғанда, спиндері әртүрлі бағытта болғандағыдан әрірек орналасады. Паули принципіне сәйкес бір фазалық ұяшықта спині берілген бағыттағы бір ғана электрон орналаса алады. Сондықтан көрсетілген электрондар бір-бірінен алыс орналасқандықтан, олардың электростатикалық тебіліс энергиялары аз болады.

d- қабықшада фазалық кеңістіктің бес ұяшығы бар, сондықтан атомының 6-шы электроны спинінің бағыты қарама-қарсы бағытта болады. Бұл жерде алмасу энергиясының болуы электрондардың тартылуына алып келеді.

Көршілес атомдардың магниттік моменттерінің осылай параллель қатарласып орналасуы атомдық магниттердің өзара әсерлесулеріне негізделген. Есептеулер магниттік өзара әсерлесу энергиясы осы эффектіні жасауға қажетті энергиядан екі дәрежеге аз екендігін көрсетті. Көршілес атомдардың магниттік моменттерінің параллель бағытталуы атомдардың өзара алмаса әсерлесулері нәтижесінде болады. Көршілес атомдардың -электрондар спиндері параллель бағытталғанда бір-бірінен алыстайтыны соншалық, олардың магниттелгендегі электро-статикалық тебіліс энергиясы магниттелмеген кезіндегіге қарағанда кем болады. Әрине, -электрондардың бір-бірінен алыстауы электрондардың кинетикалық энергиясының артуына алып келеді (Ферми энергиясы артады). Бірақ та, өзара алмаса әсерлесулер нәтижесінде энергияның азаюы кинетикалық энергияның артуынан көп болса, онда магниттелген күй орнықтырақ болады. Осы энергияның айырмасында ең маңыздысы кристалдық тор, яғни атомдар арасындағы ара қашықтық. 7.6 –суретте қатынасы мен магниттелген және магниттелмеген күйлер энергияларының айырмасы арасындағы тәуелділік көрсетілген, мұндағы - тор тұрақтысы, - қабықшаның диаметрі. Суреттен айырманың оң шама екені көрініп тұр, яғни өзара әсерлесуші атомдардың энергияларының кемуі ауыспалы топтың кейбір элементтерінде ғана болады, ал олар ферромагнетиктер емес.

Магниттелген және магниттелмеген күйлер кезіндегі энергия айырмасы эВ-тің ондаған бір бөлігін құрайтындықтан, температураның артуы спонтанды магниттелуді жоюы мүмкін. Кюри температурасы деп аталатын температурада спонтанды магниттеліну шынында да жойылады (7.1-кестені қара).

Ферромагнитті дененің спиндері параллель аймақ домен деп талады. Әрбір домендегі магниттелу шамамен 1 Тл-ға тең. Егер де, қатты дене бір ғана доменнен тұратын болса, онда сыртқы магнит өрісі болмаған кезде оның магниттік моменті үлкен болып, ол күштірек сыртқы магнит өрісін тудырады да, ендеше оның магнит энергиясы көп болар еді. Сондықтан, кристалдық үлгіні көптеген кішкене домендерге бөледі, олардың өлшемдері мен магниттік моменттері кристалл энергиясының минимал мәнімен анықталады (7.3-сурет).