Причины существования ферромагнетиков, парамагнетиков, диамагнетиков.

У ферромагнитных веществ имеются неспаренные (ответственные за ферромагнетизм) электроны, спины которых в сравнительно больших областях ориентируются в одном направлении. Каждая из таких областей, или, как их обычно называют, доменов, намагничена до насыщения. Разные состояния намагниченности всего образца отличаются взаимной ориентацией векторов намагниченности отдельных доменов: в размагниченном веществе они расположены хаотически, а в намагниченном направлены в одну сторону.

Природа ферромагнетизма была в основном выяснена в связи с развитием атомной физики. В 1928 г. Я. И. Френкель впервые отметил, что самопроизвольное намагничение может быть обусловлено так называемыми обменными силами, рассматриваемыми в квантовой механике. При известных условиях эти силы стремятся установить собственные магнитные моменты электронов параллельно друг другу, что и ведет к возникновению областей самопроизвольного намагничения. Эта идея была подробно разработана Гейзенбергом. [3]

Парамагнетизм (от пара... и магнетизм), свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент)в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен диамагнетизму, при котором возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внешнего магнитного поля Н.Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда название "П."), а диамагнитные — отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики и антиферромагнетики. Однако в отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при Н = 0 ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру. Термин "П." ввёл в 1845 М. Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. характерен для веществ, частицы которого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов) обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что J = 0. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля по закону J = c Н, где c — магнитная восприимчивость 1 моля вещества, для парамагнетиков всегда положительная и обычно равная по порядку величины 10-5 — 10-3. Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением температуры Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц и магнитная восприимчивость убывает — в простейшем случае по Кюри закону c = С/Т (С — постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри (см. Кюри — Вейса закон) в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллического поля). П. свойствен: многим чистым элементам в металлическом состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, некоторые металлы переходных групп с незаполненным d-слоем или f-слоем электронной оболочки — группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов, актиноидов; а также сплавы этих металлов); солям группы железа, группы редкоземельных элементов от Ce до Yb и актиноидов и их водным растворам; парам щелочных металлов и молекулам газов (например, O2 и NO); небольшому числу органических молекул ("бирадикалам"); ряду комплексных соединений. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

Диамагнетизм является одним из основных свойств любого вещества. Очень многие органические и неорганические соединения при взаимодействии с магнитным полем ведут себя как диамагнетики (выталкиваются из поля). И лишь те вещества, молекулы которых содержат неспаренные электроны, ведут себя как парамагнетики (втягиваются в магнитное поле), поскольку их диамагнетизм значительно перекрывается парамагнетизмом. Иначе говоря, диамагнитная составляющая магнитной восприимчивости присуща всем без исключения веществам, независимо от того, будет ли она превалирующей (в диамагнетиках) или нет (в парамагнетиках).

Это обстоятельство становится понятным при рассмотрении причин возникновения диамагнетизма. В любой молекуле (атоме) спиновые и орбитальные моменты электронов на замкнутых оболочках всегда скомпенсированы таким образом, что их суммарный момент равен нулю. Однако во внешнем магнитном поле все электроны начнут прецессировать вокруг оси, совпадающей с направлением поля, с постоянной угловой скоростью (ω = eH/2mc). Индуцированный при этом магнитный момент в соответствие с правилом Ленца будет иметь направление, противоположное внешнему полю. Величина индуцированного момента прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля и не зависит от температуры. Последнее обстоятельство легко понять, поскольку индуцированный момент определяется лишь размерами замкнутых оболочек, а их характеристики не зависят от температуры.

Для атомов или молекул, обладающих шаровой или осевой симметрией, диамагнитная восприимчивость связана с радиусом орбитали электрона соотношением (12):

диамагнитная восприимчивость будет функцией атомного или молекулярного радиуса. Поскольку восприимчивость обладает свойством аддитивности, её молекулярная величина может быть рассчитана с помощью аддитивной схемы Паскаля, представляющей молекулярную восприимчивость как сумму атомных восприимчивостей и конститутивных поправок.