Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку намагниченность диамагнитных и парамагнитных образцов в отсутствие магнитного поля равна нулю, их легко идентифицировать по этому признаку. Однако в магнитном поле такие материалы приобретают намагниченность, определяемую формулой
М = %Н,
где М - намагниченность, т.е. магнитный момент единицы объема, //-намагничивающее поле, %-магнитная восприимчивость. В единицах СИ восприимчивость безразмерна, поскольку и Л/, и Н измеряются в единицах А/м.
Восприимчивость диамагнетиков отрицательна и не зависит от температуры. Как уже отмечалось, ткани живых организмов, как и вода, диамагнитны, и их восприимчивость очень мала. Такая широкая распространенность диамагнетиков делает их локализацию и идентификацию не столь интересной.
Восприимчивость парамагнетиков положительна, поскольку в намагничивающем поле Н магнитные моменты отдельных атомов и молекул частично выстраиваются вдоль поля. Такому выстраиванию препятствуют тепловые флуктуации. Классическая теория парамагнетизма приводит к следующей зависимости намагниченности М от отношения а энергии магнитного момента (х атома или молекулы в поле Н к средней энергии теплового движения:
М = N\iL(a), (35)
где
я = цЯ//свГ, (36)
а
L(a) = ctha — -. (37)
а
При а « 1
L(a)=V3, и М = N\i2H/3ktiT. (38)
В этих формулах /св-постоянная Больцмана, Т-температура, На) - гак называемая функция Ланжевена. Квантовомеханический расчет приводит к аналогичному результату, но вместо функции Ланжевена в уравнение входит функция Бриллюэна. Характерной особенностью, по которой выявляют парамагнитную фазу, служит обратная пропорциональность между восприимчивостью и температурой при малых значениях отношения \iH/kBT. При этом используют приборы, позволяющие измерять восприимчивость в широком диапазоне температур (обычно от температуры жидкого гелия до комнатной) при достаточно сильных полях. Если в образце присутствуют и диа- и парамагнитная фазы, то по температурной зависимости восприимчивости можно определить их содержание.
В диа- и парамагнетиках взаимодействие между магнитными моментами отдельных атомов и молекул очень мало. Напротив, в ферро-, антиферро- и ферримагнетиках наблюдается значительное обменное взаимодействие, приводящее к упорядочению магнитных моментов. В ферромагнетиках магнитные моменты всех атомов и молекул параллельны друг другу, а в антиферромагнетиках в каждой элементарной
магнитной ячейке одна половина моментов антипараллельна другой, так что в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность равна нулю. Ферримагнетиками называются вещества, в которых можно выделить две группы не равных по величине магнитных моментов, направленных навстречу друг другу. Намагниченность ферримагнетика не равна нулю даже в отсутствие магнитного поля. Магнитному упорядочению всегда препятствует тепловое движение; при достаточно высокой температуре упорядочение полностью исчезает и магнитный материал переходит в парамагнитное состояние. Соответствующая температура называется температурой Кюри в случае ферромагнетиков и температурой Нееля в случае анти- и ферримагнетиков. Температура, при которой исчезает магнитное упорядочение, является мерой силы обменного взаимодействия и может использоваться для выявления той или иной магнитной фазы.
Температуру разупорядочения магнитных материалов определяют из температурной зависимости различных параметров: намагниченности, магнитной восприимчивости и т. п. (см., например, Collinson et al., 1967). Для таких исследований можно использовать магнитометр, применяющийся в геофизике, или прибор, измеряющий восприимчивость, снабдив его устройством для нагревания образца. При этом используют разные методы, например лазерный1 (Day et al., 1976b) или высокочастотный (R. К. Walton, частное сообщение). Кроме того, благодаря малому времени измерения в сквид-магнитометре образец, укрепленный на специальном кварцевом держателе, можно нагреть вне прибора, а затем быстро поместить его в магнитометр. При переносе образца и за время измерений его температура не успевает значительно измениться (J. R. Dunn, неопубликованные данные).
На рис. 4.19 представлены результаты измерений температурной зависимости магнитного момента в поле с индукцией < 10~4 Тл. Измерения в таких слабых полях могут использоваться для определения температуры магнитного разупорядочения на основе эффекта Гопкинсо-на, т. е. по пику начальной восприимчивости вблизи температуры Кюри или Нееля. Однако точный анализ результатов при малых полях затруднен из-за невозможности достаточно просто разграничить остаточную и индуцированную полем намагниченности, и приходится проводить дополнительные измерения в полях порядка нескольких десятков эрстед. В случае антиферромагнетиков такой проблемы не существует, и по результатам измерений в малых полях можно прямо получить температуру Нееля.
