1. Спін та спіновий магнітний момент електрона.

Спін (від англ. spin - Вертіти [-ся], обертання) - власний момент імпульсу елементарних частинок, що має квантову природу і не пов'язаний з переміщенням частинки як цілого. Спіном називають також власний момент імпульсу атомного ядра або атома; в цьому випадку спін визначається як векторна сума (обчислена за правилами складання моментів в квантовій механіці) спинів елементарних частинок, що утворюють систему, і орбітальних моментів цих часток, обумовлених їх рухом всередині системи.

Спін вимірюється в одиницях (Приведеної постійної Планка, або постійної Дірака) і дорівнює де J - Характерне для кожного сорту часток ціле (в тому числі нульове) або напівцілим позитивне число - так зване спінова квантове число, яке зазвичай називають просто спіном (одне з квантових чисел).

У зв'язку з цим говорять про цілий або напівцілим спині частинки.

Існування спина в системі тотожних взаємодіючих частинок є причиною нового квантовомеханічної явища, що не має аналогії в класичній механіці: обмінної взаємодії.

Незважаючи на те, що спін не пов'язаний з реальним обертанням частки, він проте породжує певний магнітний момент, а значить, призводить до додаткового (порівняно з класичної електродинаміки) взаємодії з магнітним полем. Відношення величини магнітного моменту до величини спина називається гіромагнітного ставленням, і, на відміну від орбітального кутового моменту, воно не дорівнює магнетону ( ):

Введений тут множник g називається g-Фактором (множник Ланде) частинки; значення цього g -Фактора для різних елементарних частинок активно досліджуються в фізиці елементарних частинок.

2. Магнітний момент багатоелектронного атома.

При знах. мех. та магн. момента атома, власт. реч. визнач. способом додавання складових. Повний мех. момент атома скл. з орбітальних мех. Моментів та спінів е- , відповідно повний магн. момент атома скл. з орбітальних магн. моментів та спінових магн. моментів е- . При цьому можливі 2-а варіанти:

1) Якщо взаємодія орбітального мех. момента та спіну е- > ніж взаємодія з ін. е- , то виникає так званий j-j зв’язок. При цьому зв’язку орбітальний момент та спін додаються і утвор. повний мех. момент е- , а потім ці моменти додаються для для всіх е- і утвор. повний мех. момент атома.

Такий зв’язок мають важливі хімічні елементи.

2) Якщо взаємодія орбітальних моментів оптичних е- між собою і спінів е- між собою є > ніж спін орбітальна взаємодія, то виникає так званий нормальний зв’язок або зв’язок Рассела-Саундерса (L-S зв’язок). У цьому випадку орбітальні моменти додаються і утвор. повний орбітальний момент, спіни додаються утвор. повний спіновий момент. Потім 2-а вектори додаються і отримуємо повний мех. момент атома.

Такий зв’язок мають переважно легкі хімічні елементи.

3. Класифікація магнетиків.

Магнетизм - це універсальна властивість усіх тіл, яка виявляється у процесі їхньої взаємодії із зовнішнім магнітним полем.

Відомо, що ізольовані магнітні полюси в природі не виявлені, вони завжди існують парами, один з яких називають позитивним, а інший - негативним. Таку пару полюсів називають диполем.

Якщо помістити речовину у магнітне поле напруженістю , то вона намагнічуватиметься, тобто в речовині виникатиме результуючий магнітний момент, який складається з елементарних магнітних моментів окремих заряджених частинок . Мірою намагнічення речовини є намагніченість .

У невеликих полях між намагніченістю та магнітним полем лінійна залежність:

, де - об'ємна магнітна сприйнятливість речовини.

Всередині намагніченої речовини створюється власне внутрішнє поле - магнітна індукція :

, де називають магнітною проникністю середовища; - магнітна стала.

Магнетики - клас речовин, які можуть породжувати магнітне поле або видозмінювати зовнішнє магнітне поле.

Усі речовини в природі відносять до слабомагнітних або сильномагнітних магнетиків. Традиційна класифікація магнітних речовин ґрунтується на поділі їх за величиною та знаком магнітної сприйнятливості .

Ізотропні речовини, для яких <0 (напрями та є антипаралельними), називають діамагнетиками.

Для всіх інших речовин (напрями та є паралельними) , при цьому матеріали, для яких сприйнятливість коливається в межах 10^-4 -10^-6, називають парамагнетиками.

Якщо >>1, то реалізується випадок феромагнітних матеріалів.

Слабомагнітними магнетиками є пара- і діамагнетики. Поведінка таких речовин неоднакова в неоднорідному зовнішньому полі: діамагнетик буде виштовхуватись із поля, а парамагнетик - втягуватися в область найбільшої напруженості.

Суттєва взаємодія між магнітними моментами зумовлює такі ефекти:

- феромагнетизм, який реалізується тоді, коли всі атомні магнітні моменти розміщуються паралельно;

• антиферомагнетизм спостерігається в кристалах, в яких пари рівних атомних магнітних моментів розміщуються антипаралельно;

• феримагнетизм реалізується тоді, коли значення магнітних моментів, які є антипаралельними, не рівні між собою, внаслідок чого немає повної компенсації антипаралельних магнітних моментів сусідніх атомів

Відповідно речовини з такими типами розміщення магнітних моментів називають феромагнетиками, аитиферомагнетиками та феримагнетиками і відносять до класу сильномагнітних речовин.

У фізиці твердого тіла, яка використовує симетричні аспекти, застосовують також класифікацію магнетиків, в основу якої покладено наявність (або відсутність) упорядкування магнітних моментів атомів. Згідно з цим критерієм усі кристали поділяють на дві групи: впорядковані магнетики (феромагнетики, феримагнетики, антиферомагнетики) та невпорядковані магнетики (діамагнетики, парамагнетики).

4. Діа- та парамагнетизм. Закон Кюрі-Вейса.

До діамагнітних відносять речовини, атоми та молекули яких не мають власних магнітних моментів. Діамагнетик у зовнішньому полі частково „екранує" його своїм внутрішнім полем. Протидія зовнішньому полю виражається в певному гальмуванні кутової швидкості орбітального руху електронів. Магнітне поле викликає прецесію орбіти електрона навколо напряму , що зумовлює появу додаткового моменту, напрямленого проти поля, тобто виникаєа додаткова намагніченість .

Для діамагнітної сприйнятливості запишеться у вигляді

. (6.5)

Формулу (6.5) називають формулою Ланжевена. З її аналізу можна зробити такі висновки:

-діамагнетизм властивий усім речовинам, оскільки зумовлений орбітальним рухом електронів в атомах;

- значення діамагнітної сприйнятливості завжди від'ємне,

оскільки ;

- діамагнітна сприйнятливість не залежить від температури, оскільки температура не впливає на орбітальний рух електронів.

Серед елементарних матеріалів діамагнетиками (крім інертних газів Не, Nе, Аr) є вуглець, сурма, телур, миш’як, вісмут, ртуть, цинк, золото, срібло, мідь та ін. Найбільший діамагнетизм має вісмут. Діамагнетиками є також біологічні тканини тварин і рослин, вода, деякі мінерали і стекла, більшість органічних сполук, нафта та ін.

Необхідною умовою виникнення парамагнетизму є наявність у атомів постійного магнітного моменту, існування та величина якого не залежать від зовнішнього поля. Магнітний момент атома (чи іона) визначається сумарним моментом імпульсу, а тому пов'язаний з орбітальним та спіновим рухом електронів. У моделі Рассел-Саундерса повний момент імпульсу бгатоелектронного атома визначається як , де ,