Диамагнетики

Диамагнетики имеют малую по величине восприимчивость (~10^-6). Намагниченность в них возникает только в присутствии внешнего магнитного поля и направлена противоположно этому полю, поэтому их восприимчивость отрицательна. Будучи внесенными в неоднородное магнитное поле, они выталкиваются к области более слабого поля. Восприимчивость диамагнетиков, как правило, не зависит от температуры и величины магнитного поля. Качественно явление диамагнетизма можно объяснить следующим образом.

Рис.2. Прецессия электронной орбиты вокруг магнитного поля

При внесении тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома в силу закона электромагнитной индукции возникает индуцированный магнитный момент, который по правилу Ленца должен быть направлен против внешнего поля. Он возникает независимо от того, имелся ли у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован. Индуцированный момент может возникнуть только благодаря видоизменению движения электронов в атоме. Но в силу законов квантовой механики электроны могут двигаться только по стационарным орбитам, значит, орбитальный магнитный момент (l), т.е. магнитный момент электрона, вызванный движением вокруг ядра, измениться не может. Поэтому изменение движения проявляется в прецессии электронной орбиты, т.е. ось орбиты 00' описывает конус вокруг направления (рис.2) с частотой Лармора.

(система СИ)

или (5)

(система Гаусса)

где е - заряд электрона; m - масса; с - скорость света. Это и приводит к возникновению макроскопического магнитного момента . Индуцированный магнитный момент, обусловленный ларморовской прецессией, в широком диапазоне полей и температур пропорционален полю. Это обеспечивает постоянство магнитной восприимчивости диамагнетиков. Вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость изолированного атома равен

(6)

где r² - средний квадрат расстояния электрона от ядра атома. Из формулы (6) видно, что основной вклад в восприимчивость вносят наружные электроны, имеющие большие r. Молекулы некоторых ароматических веществ (например, бензол); у которого имеются замкнутые кольца из атомов, приобретают в поле магнитный момент, в 10-100 раз больший по сравнению с обычными веществами, так как под действием внешнего поля в них возникают замкнутые токи по периферии колец. Кроме того, в этих веществах наблюдается анизотропия восприимчивости по отношению к плоскости бензольного кольца.

Диамагнетизм является универсальным свойством вещества, он проявляется всегда, но обнаружить его можно лишь в веществах, атомы и молекулы которых не имеют собственного магнитного момента, так как в противном случае диамагнитный эффект перекрывается более сильным пара- или ферромагнитным эффектом. К диамагнитным веществам относятся все инертные газы; ряд металлов: медь, цинк, серебро; вода; ряд солей; многие органические соединения.

Парамагнетики

Парамагнетики - это вещества с положительной восприимчивостью (æ > 0), величина которой тоже мала (10^-3 – 10^-6). Необходимым признаком парамагнетизма является наличие у атомов или молекул собственных постоянных магнитных моментов, существующих независимо от присутствия внешнего магнитного поля. В отсутствие поля из-за теплового движений эти моменты ориентированы хаотически, так что намагниченность равна нулю. Во внешнем поле магнитные моменты ориентируются по полю, с ростом поля намагниченность растет по закону, причемæ всегда положительна. При попадании в неоднородное магнитное поле парамагнетик, в отличие от диамагнетика, втягивается в область сильного магнитного поля. В очень сильных магнитных полях или при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, вещество приобретает состояние насыщения, т.е. все магнитные моменты атомов ориентированы параллельно полю. С повышением температуры при неизменной напряженности поля Н возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц, и магнитная восприимчивость убывает по закону Кюри:

где С - постоянная величина.

Существование у атомов магнитных моментов, обусловливающих парамагнетизм, может быть связано с движением электронов в атоме (орбитальный парамагнетизм), с собственным магнитным моментом самих электронов (спиновый парамагнетизм), с магнитными моментами ядер (ядерный парамагнетизм). Закон Кюри (7) выполняется, во-первых, для диэлектриков, когда взаимодействие между магнитными моментами невелико, и, во-вторых, для ферромагнетиков выше точки Кюри. В случае металлов, где парамагнетизм в основном обусловлен электронами проводимости (спиновый парамагнетизм Паули), или полупроводников, где парамагнетизм обусловлен носителями заряда, концентрация которых, в свою очередь, зависит от температуры, зависимость æ от температуры существенно другая.

Типичными представителями парамагнетиков являются газы: кислород, окись азота; щелочные металлы, а также железо, кобальт, никель при температурах выше точки Кюри; водные растворы солей, содержащие ионы переходных металлов и др.

Парамагнетики и диамагнетики принято называть слабомагнитными веществами. Изучение их магнитной восприимчивости как теоретическое, так и экспериментальное представляет принципиальный интерес, поскольку позволяет определить магнитные моменты атомов и молекул, а, следовательно, судить о внутреннем их строении.