книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

лам относятся, прежде всего, простые электростатические силы притяжения и отталкивания, далее следуют более сложные и раз­ нообразные механизмы связи и, наконец, развитые связи в прекрасно упорядоченных кристаллах и биологических объек­ тах материального мира. В этой иерархии каждая относительно сложная система взаимосвязей базируется на конфигурациях силовых полей своих более простых составных частей.

Существенный вклад в эти силы связи вносят микроминиа­ тюрные магнитные поля. На формирование структур влияют как ориентация магнетонов, так и вид траекторий электронов. При определенных условиях внешнее магнитное поле может изменять структуру вещества, воздействуя на ориентацию магне­ тонов или форму траектории электронов. Таким образом, яв­ ления, связанные со взаимодействием между структурой ве­ щества и энергией, изменяются под влиянием приложенных извне магнитных полей. К таким явлениям относятся некоторые химические процессы.

3.1. КОНФИГУРАЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ

Любое вещество состоит из дискретных частиц, с каждой из которых связаны поля трех различных типов. Объединение двух или большего числа частиц не приводит к полной взаимной компенсации влияния каждой отдельной частицы, т. е. в прост­ ранстве продолжает существовать силовое поле определенного направления, каким бы способом ни были объединены частицы. Совокупность двух или нескольких таких «остаточных» полей образует поле более высокого иерархического уровня.

Например, два электрона с противоположными по направле­ нию спинами притягиваются один к другому благодаря своим «противоположным» магнитным полям. В то же время они вза­ имно отталкиваются из-за своих «одинаковых» электрических полей. Хотя при сближении электронов их общее магнитное по­ ле ослабевает, электрическое поле при этом усиливается. Уста­ навливается потенциальное электрическое поле, которое, в свою очередь, может образовать более сложную конфигурацию в со­ четании с другими полями.

Такие конфигурации силовых полей все более усложняются при возрастании числа объединяющихся частиц и в конце концов приводят к макроскопическим проявлениям гравита­ ционных сил, внешних магнитных полей и крупномасштабных скоплений электрических зарядов.

Магнитные поля, порождаемые движением заряженных час­ тиц, вносят вклад в образование химических связей, обеспечива­ ющих существование каждого вещества как единого целого. Не­ которые из заряженных частиц движутся по различным траектори­ ям, другие совершают вращение относительно собственных осей. Эти два принципиально различающихся типа движения частиц ле­

жат в основе двух главных классов и нескольких подклассов магнитных явлений. Явления, происхождение которых связано с изменением формы траекторий частиц, называются диамагнит­ ными, а явления, обусловленные изменением ориентации осей частиц,— парамагнитными, ферромагнитными, антиферромагнит-

ными, ферримагнитными, антиферримагнитными или гелимагнитными в зависимости от того, какая конкретная ориентация спи­ нов устойчива при заданных условиях внешней среды и химиче­ ских свойствах вещества.

3.2. МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Материальное тело содержит в себе определенное количе­ ство энергии и имеет определенную массу. Общая энергия тела подразделяется на несколько составляющих, соответствующих тепловой, электрической, механической, электромагнитной и хи­ мической формам энергии. Кроме того, вся энергия данного тела распределена между многочисленными частицами атомных размеров, из которых состоит тело. Энергия в каждой конкрет­ ной форме имеет минимально возможное значение, соответству­ ющее минимальным значениям энергии, представленной в других формах.

Например, электрон притягивается к атомному ядру под влиянием электростатических сил. Чем ближе к ядру окажется электрон, тем меньше будет электростатическая энергия такой системы. В то же время электрон вращается по орбите вокруг ядра, и чем больше он приближается к ядру, тем выше стано­ вится скорость его орбитального движения. Поскольку высоко­ скоростные орбиты обладают большей механической энергией, чем низкоскоростные, электростатическая и механическая силы противодействуют одна другой. Электростатическая сила являет­ ся центростремительной, тогда как механическая орбитальная сила — центробежной. В конечном итоге достигается равновесие между этими противоположно направленными силами, и элек­ трон продолжает вращение по орбите на расстоянии от ядра, соответствующем минимальному значению суммы энергий, на­ ходящихся в механической и электрической формах.

Если полная энергия системы изменится, то может изме­ ниться и соотношение между энергиями разных форм, а также между энергиями, которыми обладают отдельные частицы. Эти изменения могут иметь весьма существенные последствия. На­ пример, если подвести к твердому телу очень небольшое коли­ чество тепла при заданной температуре, то тело может распла­ виться и превратиться в жидкость без какого-либо изменения температуры.

Одна из причин такого внезапного превращения связана с закономерностями квантовой механики. Согласно этим законо­ мерностям изменения энергии не являются непрерывными. Все

такие изменения имеют скачкообразный, дискретный, или квантовый, характер. Хотя отдельные скачки, или кванты, очень малы, все же процесс протекает дискретно. Если большое чи­ сло этих малых скачков происходит в одних и тех же условиях и в один и тот же момент времени, то суммарный их эффект мо­ жет быть очень существенным, даже взрывным по характеру.

Согласно этим соотношениям для квантованной минималь­ ной энергии магнитное поле поддерживается за счет некоторой формы потенциальной энергии. Для поддержания более сильно­ го поля нужна большая энергия, чем для поддержания относи­ тельно слабого поля. Кроме того, энергия тем больше, чем больший объем пространства занят магнитным полем. Реализа­ ция такой минимальной энергии будет достигнута, если мини­ мизировано магнитное поле в целом, т. е. как по напряжен­ ности, так и по объему. Следовательно, различные частицы ма­ териального тела, создающие магнитные поля, всегда находят­ ся в таких соотношениях, чтобы обеспечивать минимизацию в указанном смысле магнитных полей, поскольку этот минимум соответствует минимумам энергии, проявляющейся в других формах.

3.3. СВОЙСТВА ТРАЕКТОРИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Каждый атом содержит определенное число электронов, не­ прерывно движущихся по орбитам относительно ядра. В каж­ дый момент времени орбитальный электрон движется по более или менее круговой траектории вокруг ядра. Ось этой окруж­ ности непрерывно изменяет свое положение так, что за опреде­ ленный период времени электрон проходит через все точки, об­ разующие поверхность некоторой сферы.

Такое циклическое движение электрического заряда создает в каждый момент времени тороидальное магнитное поле. Од­ нако поскольку ось тороида непрерывно изменяет свое направ­ ление, поле, генерируемое при одном направлении этой оси, компенсируется полем, генерируемым при некотором ином на­ правлении. В результате этого электрон, вращающийся по та­ кой сферической орбите, в итоге не создает никакого магнит­ ного поля. Фактически именно невозможность создать в этих условиях магнитное поле является тем фактором, который заставляет электрон двигаться по этой сферической орбите.

Если на эти циклические движения наложить внешнее маг­ нитное поле, то возникнут условия, аналогичные тем, какие ил­ люстрируются для движущегося электрона на рис. 2.2. Хотя орбита — это не прямая линия, движущийся по ней электрон все же испытывает силу Лоренца, поскольку его заряд взаимо­ действует с внешним полем. Это взаимодействие вызывает из­ менение формы орбиты. Мгновенная круговая орбита принима­

вызывают ослабление любого внешнего магнитного поля, в ко­ тором они находятся. Как показано на рис. 2.3, вектор поля Ленца всегда направлен противоположно вектору поля, прило­ женного извне. Это справедливо для любого направления не­ зависимо от ориентации диамагнитного тела относительно при­ ложенного поля.

Любое тело, изготовленное из диамагнитного материала, не только ослабляет внешнее поле из-за влияния противодейст­ вия Ленца, но испытывает также действие определенной силы, если внешнее поле неравномерно в пространстве. Эта сила, за­ висящая от направления градиента поля и не зависящая от направления самого поля, стремится переместить тело из об­ ласти относительно сильного магнитного поля в область более

щихся удержать орбитальные электроны на сферических орбитах.

Все вещества являются диамагнитными, поскольку их эле­ ментарные составные части — это атомы с орбитальными элек­ тронами. Некоторые вещества создают как поля Ленца, так и спиновые поля. Вследствие того что спиновые поля обычно на­ много сильнее, чем поля Ленца, при возникновении полей обоих типов, как правило, преобладают эффекты, обусловленные спи­ новыми полями.

Диамагнетизм, являющийся результатом изменения элек­ тронных орбит, обычно бывает слабо выражен, так как локаль­ ные поля, воздействующие на отдельные электроны, намного сильнее, чем приложенные внешние поля, стремящиеся изме­ нить орбиты всех электронов. Поскольку изменения орбиты малы, связанное с этими изменениями противодействие Ленца также невелико.

В то же время диамагнетизм, обусловленный случайным движением элементов плазмы, проявляется значительно силь­ нее, чем диамагнетизм, связанный с изменением электронных орбит, так как ионы и электроны плазмы не испытывают дейст­ вие больших сил связи. В этом случае относительно слабые магнитные поля существенно изменяют траектории частиц.

Диамагнетизм множества отдельных микроскопических ча­ стиц, движущихся по траекториям различных видов, можно рас­ сматривать как результат влияния эквивалентного контура тока, окружающего тело, вещество которого содержит эти частицы. Измерение этого тока позволяет дать количественную оценку диамагнетизма.

Все вещества состоят из определенных комбинаций элемен­ тарных частиц. Частицы трех типов, непосредственно относя­ щиеся к обсуждаемым явлениям,— это электроны, протоны и нейтроны. Нейтроны и протоны имеют одну и ту же массу, на­ много превышающую массу электрона; протон обладает элек­ трическим зарядом, который равен по абсолютной величине и противоположен по знаку заряду электрона; нейтрон не имеет электрического заряда. Частицы всех трех типов совершают спин — вращение относительно собственной оси.

В нашем рассмотрении используется термин магнетон для обозначения таких частиц атомных размеров, которые обладают как магнитным, так и механическим моментом из-за одновре­ менного вращения относительно собственной оси и электриче­ ского заряда и массы. Согласно этому определению электроны и протоны, обладающие спином, имеют свойства магнетона, тогда как нейтрон со спином этими свойствами не обладает — он не имеет электрического заряда и, следовательно, магнит­ ного момента (на самом деле нейтроны все же имеют неболь­ шой магнитный момент, который можно объяснить при помощи

и нейтронов, обобщенно называемых нуклонами. Если два ну­ клона соединены друг с другом, они образуют пару, в которой один имеет спин, направленный по часовой стрелке, а другой — спин, направленный против часовой стрелки. Эти противополож­ ные спины взаимно компенсируются в отношении механических моментов. Если же совокупность частиц не имеет механиче­ ского момента, то она не обладает свойствами магнетона. При объединении нейтронов и протонов в нуклоны результирующие ядра, которые содержат нечетное суммарное число нейтронов и протонов, действуют как магнетоны, а ядра, содержащие чет­ ное их число, свойствами магнетонов не обладают.

На рис. 2.5 показано тороидальное магнитное поле, по­ рождаемое множеством электрически заряженных частиц, ко­ торые описывают круговые траектории. На рис. 3.1 иллюстриру­ ется поле такой же конфигурации вокруг тела со спином, не­ сущего электрический заряд. В этом случае ось тороидального поля направлена по оси спина. Здесь показано магнитное поле, создаваемое магнетоном.

Магнетон принято изображать графически стрелкой, ори­ ентированной вдоль основного направления поля. На рис. 3.1 эта стрелка направлена вдоль оси вращения магнетона. Видя такую стрелку на какой-либо схеме, читатель должен представ­ лять себе все связанное с ней тороидальное магнитное поле.

Рис. 3.1. Магнетон — это заря­ женная частица, обладающая спином н создающая магнитное поле тороидальной формы

Если к. магнетону приложено внешнее магнитное поле, то под действием сил Лоренца не может произойти изменения круговой траектории, поскольку такой траектории здесь факти­ чески нет — радиус ее кривизны равен нулю, и она не подвер­ жена изменениям. Вместо этого магнетон реагирует на прило­ женное извне поле изменением направления своей оси. Это из­ менение ориентации находит отражение в соответствующем из­ менении направления стрелки — графического изображения магнетона.

Механический момент магнетона стремится удерживать лю­ бое заданное направление оси его спина, тогда как магнитный момент стремится совместить эту ось с направлением внешнего магнитного поля, в которое помещен магнетон. Поскольку эти силы действуют одновременно, магнетон совершает вращение относительно своей оси, направленной вдоль магнитного поля, которое получается в результате взаимодействия.

Электроны, протоны и некоторые ядра обладают свойствами магнетона. Магнитные проявления у электронных магнетонов выражены значительно сильнее, чем у магнетонов других типов, так как чрезвычайно малая масса электрона способствует очень большой скорости собственного вращения. Вследствие того что напряженность тороидального магнитного поля пропорцио­ нальна скорости вращения, электроны создают магнитные ми­ крополя, которые в 1000 раз сильнее полей протонов.

3.6.ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОРБИТАЛЬНУЮ ЭНЕРГИЮ

Вотдельном атоме водорода один электрон со спином не­ прерывно движется по орбите вокруг протона, также облада­ ющего спином. Для поддержания как спинового, так и орбиталь­ ного движения не затрачивается энергии.

Согласно законам квантовой механики электрон со спином может находиться на любой из нескольких дискретных орбит около протона со спином. Каждой такой орбите соответствует некоторый уровень потенциальной энергии, причем для двух со­ седних орбит существует определенная конечная разность энер­ гий. Эту величину иногда называют запрещенной энергетической зоной, или «энергетической щелью». При температуре абсолют­ ного нуля электрон со спином вращается вокруг протона со спином по орбите с минимально возможной энергией. В этих условиях атом не излучает никакой энергии.

При температурах выше абсолютного нуля электроны со спином перемещаются между допустимыми орбитами. При низких температурах эти перемещения происходят только меж­ ду орбитами с самыми низкими уровнями энергии. При более высоких температурах перемещения электронов охватывают большее число орбит. Каждый раз, когда совершается переход с одной орбиты на другую, атом либо испускает, либо погло­ щает импульс электромагнитной энергии. Такой процесс имеет частоту, зависящую от разности энергий для данных орбит. Для определения относительных энергий орбит можно восполь­ зоваться так называемыми спектральными сериями Пашена, Бальмера и Лаймана.

Если несколько независимых атомов водорода объединяются, образуя разреженный газ, то этот газ будет непрерывно ис­ пускать электромагнитную энергию на частотах, точно опреде­ ленных различными допустимыми уровнями энергии отдель­ ных атомов. Эти частоты идентифицируются как «линии» ре­ фракционного или дифракционного спектра излучаемой энергии.

и непрерывно изменяются. Поскольку в газообразном веществе отсутствуют силы, влияющие на ориентацию этих осей, отсут­ ствуют и затраты энергии. При определении энергии каждой орбиты нужно учитывать случайный характер ориентации спи­ нов.

При наличии внешнего магнитного поля некоторые элек­ троны и протоны изменяют направления спинов. Одни из них ориентируются в направлении поля, другие — в противоположном направлении, остальные продолжают свои случайные движения. Следовательно, в результате приложения внешних полей возни­ кают силы, влияющие на ориентации спинов, и для изменения ориентаций потребуется энергия.

Порождая силу, вызывающую поворот спина в направлении внешнего поля или в противоположном направлении, магнитное поле приводит к расщеплению элементарного приращения энер­ гии, соответствующего разности энергий двух орбит, на три раз­ личающихся приращения — исходное приращение, приращение

с несколько ббльшим значением и приращение с несколько мень­ шим значением энергии. При этих условиях энергия всей системы не обязательно изменяется, она просто перераспределяется.

Если внешнее магнитное поле имеет очень большую напря­ женность, то все спины, распределенные по направлению слу­ чайным образом перед приложением внешнего поля, теперь оказываются ориентированными в направлении поля или про­ тивоположно ему, при этом исключается исходное приращение энергии, соответствующее случайному распределению направ­ лений спинов. Спектральный анализ одноатомного газа водо­ рода дает в присутствии магнитного поля две спектральные линии вместо каждой отдельной линии, имеющейся в спектре, когда магнитное поле отсутствует.

У веществ с более сложными атомами, чем водородные, име­ ется большее число разрешенных орбит, и эта сложность атом­ ной структуры отражается в увеличении числа спектральных линий. При наличии внешнего магнитного поля опять же наблю­ дается расщепление спектральных линий на пары.

Расщепление спектральных линий на две и большее число составляющих под влиянием относительно слабых магнитных полей называется эффектом Зеемана. Если приложенное маг­ нитное поле имеет достаточно большую напряженность, чтобы вызвать орбитальные изменения наряду с изменением ориента­ ции спинов, то наблюдаются преобразования излучения, назы­ ваемые эффектом Пашена — Бака.

Упорядочение ориентаций магнетонов под воздействием внеш­ него магнитного поля создает когерентность по направлению в молекулярных структурах. В результате этого поляризованное излучение приводит к появлению смещенных спектральных линий Зеемана даже при отсутствии исходной линии.

Энергия взаимодействия любого вида между соседними ато­ мами оказывает влияние на распределение спектральных линий. При повышении давления одноатомного газа водорода торо­ идальное магнитное поле электрона со спином одного атома начинает испытывать влияние тороидальных полей электронов других атомов. В результате этого взаимодействия тороидаль­ ных полей происходит некоторое изменение уровней энергии орбит, причем исходные дискретные спектральные линии, со­ ответствующие условиям низкого давления, начинают расши­ ряться. Чем выше давление газа, тем сильнее расширяются линии спектра. Хотя приложенное внешнее магнитное поле по-прежнему приводит к расщеплению этих расширенных линий, различие между их расщеплением и расширением становится довольно нечетким.

По мере того как взаимодействие между атомами становится более сильным, увеличивается число спектральных линий, а сами линии еще больше расширяются. При переходе от отдельных

молекул к жидкостям, затем к стеклообразным веществам и к кристаллам этот процесс продолжается, и, наконец, в случае твердого тела спектральные линии отдельных атомов превра­ щаются в широкие спектральные полосы. При значительном расширении спектральных линий уже не удается наблюдать явления расщепления линий спектра под влиянием внешнего магнитного поля.

3.7. ПАРЫ ЧАСТИЦ СО СПИНОМ

При наблюдении из любого положения отдельные частицы вращаются вокруг собственной оси либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Между этими направлениями вра­ щения нет существенного различия, так как любая частица может изменить направление спина в результате «опрокидыва­ ния» своей оси.

Частицы со спином, электрически заряженные или не обла­ дающие зарядом, стремятся образовывать пары, в которых спин одной частицы ориентирован противоположно спину другой. Если две частицы, объединенные в такую пару, расположены доста­ точно близко одна от другой в пространстве, то влияние меха­ нических импульсов за счет спинов не обнаруживается на любом значительном расстоянии от пары. Поскольку частицы обладают свойствами магнетона только при наличии как механического, так и магнитного момента, для совокупности таких пар исклю­ чены любые магнитные эффекты, которые могли бы порождать­ ся упорядочением ориентаций магнитных полей магнетонов.

Одна из причин попарного объединения частиц связана с фундаментальным принципом — вещество стремится принимать форму, соответствующую минимальной энергии. Для поддер­ жания магнитного поля в пространстве затрачивается энергия, тогда как компенсация магнитных полей частиц при образова­ нии пар исключает потребность в этих затратах энергии.

Как говорилось выше, атомные ядра представляют собой более сложные частицы, состоящие из совокупностей протонов и нейтронов, которые обобщенно называются нуклонами. Число протонов, содержащихся в ядре, определяет тип атома, а число нуклонов — его атомную массу. Изотопы с атомами одного и того же типа различаются своими атомными массами. Они со­ держат одинаковые числа протонов, но разные числа нуклонов.

Нуклоны всегда расположены в непосредственной близости один от другого, что способствует их объединению в пары. По­ этому ядро может обладать свойствами магнетона только в слу­ чае, когда оно содержит нечетное число нуклонов. Поскольку изотопы различных атомов содержат разные числа нуклонов, по крайней мере один изотоп атома каждого типа обладает магнитными свойствами и по крайней мере один изотоп ими не