Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Х = С/(Г + (Э) (16.6)
6
Рис. 16.1. Поведение диамагнитных (а) и парамагнитных (б) веществ в магнитном поле.
16.2. Теория магнетизма
131
где 0 — константа Вейсса. На рис. 16.2 приведены два типа зависимостей магнитной восприимчивости в координатах %~~1 =
Для ферро- и антиферромагнитных веществ температурная зависимость % не удовлетворяет законам Кюри и Кюри — Вейсса (рис. 16.3). Ферромагнитные материалы обладают очень большой магнитной восприимчивостью при низких температурах, которая уменьшается все более резко по мере роста тем-
6 т,к
Рис. 16.2. Зависимость %~1 — Ї(Т), отвечающие законам Кюри и Кюри —
Вейсса.
иературы (рис. 16.3,6). Выше некоторой температуры (называемой температурой Кюри Тс) материал теряет ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик, для которого справедлив закон Кюри — Вейсса. Магнитная восприимчивость аити-ферромагнетиков (рис. 16.3, б) возрастает с ростом температуры. Температура, при которой магнитная восприимчивость принимает максимальное значение, называется температурой Нееля Ты- Выше Ты материал превращается в парамагнетик.
Величины х различных материалов и их зависимость от температуры можно объяснить следующим образом.
Положительные значения магнитной восприимчивости парамагнитных материалов % объясняются тем, что в веществе имеются неспаренные электроны, причем существует тенденция к выстраиванию их спинов в направлении магнитного поля. В ферромагнитных материалах спины электронов выстроены параллельно из-за кооперативного взаимодействия спинов соседних ионов в кристаллической решетке. Большие величины %
9*
132
16. Магнитные свойства
парамагнетики
парамагнетики
парамагнетики
объясняются именно этим параллельным расположением многих спинов. Вообще говоря, не все спины в данном веществе параллельны, даже если вещество находится в сильном магнитном поле при низкой температуре. В антиферромагнитных материалах электронные спины выстраиваются антипарал-лелыю и взаимно компенсируются,. Поэтому для этих материалов можно ожидать небольших величии %. Остаточное значение %, видимо, связано с разупорядочением в расположении спинов.
В любых материалах рост температуры приводит к увеличению тепловой энергии ионов и электронов. Поэтому, естественно, существует тенденция к увеличению структурного разупорядочеиия с повышением температуры. В парамагнитных материалах тепловая энергия электронов и ионов способствует частичной компенсации упорядочения, возникающего под действием внешнего магнитного поля. Действительно, как только внешнее магнитное поле исчезает, ориентация электронных спинов становится беспорядочной. Следовательно, в парамагнитных материалах магнитная восприимчивость % уменьшается с ростом температуры по закону Кюри или по закону Кюри — Вейсса. В ферро- и антиферромагнитных материалах влияние температуры сводится к увеличению разупорядоченности в идеально упорядоченном параллельном или антипараллелыюм расположении спинов. В случае ферромагнитных материалов это ведет к быстрому понижению % с ростом температуры. В антиферромагнетиках это приводит к уменьшению степени антипараллельного упорядочения, т. е. к увеличению числа «разупорядо-ченных» электронных спинов и, следовательно, к росту %.
Часто магнитные свойства материалов удобно характеризовать с помощью магнитного момента р,, так как этот параметр»
антиферромагнетики Ты
Рис. 16.3. Температурная зависимость магнитной восприимчивости парамагнитных (а), ферромагнитных (б) и антиферромагнитных (в) веществ.
16.2. Теория магнетизма
133
непосредственно связан с числом иеспаренных электронов. Зависимость между % и р имеет следующий вид:
Х = Аф2р,2/3/г7 (16.7)
где N— число Авогадро, (3 — магнетон Бора, к— постоянная Больцмана. Подставляя вместо Ы, (3 и к их численные значения, получим
ц. = 2,831/^Т (16.8)
Магнитную восприимчивость и магнитный момент веществ часто определяют экспериментально с помощью магнитных весов Гуи. Образец помещают между полюсами электромагнита и измеряют массу образца в зависимости от напряженности приложенного поля. В парамагнитных веществах иеспареиные электроны притягиваются магнитным полем, что регистрируется по возрастанию массы образца при отключении электромагнита. Коррекцию полученного значения магнитной восприимчивости ведут с учетом различных факторов, в частности диамагнетизма образца и держателя образца.
16.2.3. Расчет величины магнитного момента
Опишем подход, используемый обычно спектроскопистами и химиками при расчете величины магнитного момента ионов, которые имеют неспаренные электроны. Считается, что имеются две основные причины возникновения магнитного момента: спин электрона и орбитальное движение электронов. Наибольший вклад в суммарный магнитный момент вносит спин электрона. Грубо можно представить электрон как точечный отрицательный заряд, вращающийся вокруг своей оси. Величина спинового момента рл- в такой модели составляет 1,73 магнетона Бора (|1В), где
1 р,в == е/г/4ятс (16.9)
где е — заряд электрона, к— постоянная Планка, т — масса электрона, с — скорость света. Для расчета спинового момента одного электрона используют формулу
