Кристалл — сравнительно простая конструкция. Атомы или молекулы сложены в нем в строго определенном порядке, бесконеч­но повторяя одну ячейку, в которой, как правило, всего несколько атомов. Магнитные свойства кристаллов существенно зависят от того, обладает ли магнитным моментом одна ячейка кристал­ла или нет. Если обладает, то такой кристалл называют парамагнит­ным, если нет — диамагнитным. В природе много тех и других.

Если в ячейке кристалла расположен один атом, то наличие или отсутствие магнитного момента определяется тем, парамагнит­ный пли диамагнитный это атом. Твердый неон — диамагнетик, а кристалл железа или хрома — парамагнетик (правда, только при высокой температуре, но об этом позже). Если же кристалл состоит из правильно уложенных молекул, то наличие или отсутствие маг­нитного момента у ячейки определяется тем, что из себя представ­ляет молекула, — парамагнитна она или диамагнитна?

Постараемся разобраться в этом отнюдь не простом вопросе. Итак, выясним, как из отдельных атомов создается более сложная конструкция — молекула. Пока атомы находятся сравнительно да­леко друг от друга, они притягиваются[1]. Это утверждение может показаться странным. Ведь каждый из атомов нейтрален: он со­держит равное число отрицательных и положительных зарядов. Но заряды (электроны или ядро) не находятся в одной точке: элек­троны вращаются вокруг ядра на расстоянии, приблизительно рав­ном одной стомиллионной доли сантиметра. Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются, но в результате всег­да преобладает притяжение. Природа притяжения нейтральных атомов сравнительно проста: при сближении атомов среднее рас­стояние между зарядами чуть-чуть изменяется — атомы поляризу­ют друг друга, и разноименные заряды оказываются несколько ближе, чем одноименные. Однако притяжение действует только до тех пор, пока атомы не сблизятся до расстояния, почти равного размеру атома. На этом расстоянии начинает действовать сила от­талкивания, которая стремительно возрастает с уменьшением рас­стояния. Эта сила похожа по своему проявлению на силу упругости, возникающую при попытке прижать друг к другу два твердых шарика. К сожалению, более подробный рассказ о силах взаимо­действия между атомами уведет нас слишком далеко от основной темы.

Поскольку на больших расстояниях атомы притягиваются, а на очень малых отталкиваются, то есть расстояние (оно того же поряд­ка, что размер атома), на котором достигается равновесие—сум­марна сила равна нулю. Так строятся молекулы.

Однако остается вопрос, почему одни молекулы (например, во­дорода) имеют нулевой магнитный момент, а другие (например, кислорода) — отличный от нуля. Правильный, но слишком общий ответ таков: осуществляется то состояние, которое энергетически выгодно. Другими словами, если парамагнитное состояние облада­ет меньшей энергией, то молекула парамагнитна, если диамагнит­ное состояние имеет меньшую энергию — диамагнитна. Все это так. Но почему энергия молекулы вообще зависит от того, каков ее магнитный момент? Какова связь между относительным располо­жением магнитиков и энергетическим состоянием электронов в мо­лекуле?

Напрашивается такой ответ: каждый электрон—магнитик.

Энергия взаимодействия магнитов зависит от их относительной ориентации (одноименные полюсы отталкиваются, разноименные —

притягиваются). Поэтому, построив из атомов молекулу, т. е. зная расположение атомов в пространстве (правда, они движутся), надо вычислить энергию при антипараллельном расположении магнитных моментов (такая конфигурация ↑↓) и сравнить ее с энергией при параллельном расположении ↑↓ (пусть для простоты электронов два, как в молекуле водорода).

Все правильно, однако экспериментально наблюдаемое различие энергий парамагнитной (↑↑) и диамагнитной (↑↓) конфигураций оказывается в десятки тысяч раз больше той магнитной энергии, которая связана с притяжением разноименных полюсов и отталкиванием одноименных. Для правильного ответа на вопрос о том, по­чему энергия молекул зависит от ее магнитного состояния, необходимо учитывать квантовые (волновые) свойства электронов. Последовательное квантовомеханическое рассмотрение показывает, что состояниеэлектронов, даже если пренебречь магнитным взаимодействием (силой притяжения и отталкивания магнитных полюсов), зависит не только от характера их движения в электрическом поле ядер, но и от относительного пространственного расположения магнитных моментов (спинов).

Зависимость энергии системы, состоящей из нескольких микро­частиц, от взаимного расположения их спинов получила название обменного взаимодействия. Ту часть энергии электронов, которая зависит от относительного расположения их спинов (магнитных мо­ментов), называют обменной энергией. В молекуле водорода обмен­ная энергия парамагнитного состояния больше обменной энергии диамагнитного состояния. Молекула водорода диамагнитна, а для молекулы кислорода энергетически выгодно (опять-таки из-за об­менной энергии) парамагнитное состояние.

Природу обменных сил трудно объяснить достаточно попу­лярно, так как эти силы не имеют классического аналога. Их воз­никновение целиком определяется квантовыми (волновыми) свой­ствами микрочастиц. Термины «обменное взаимодействие», «об­менная энергия», «обменная сила» возникли при рассмотрении си­стемы из двух атомов (для простоты пусть это будут два атома во­дорода, каждый из которых имеет по одному электрону). Анализ состояния электронов показывает: из-за их волновых свойств нель­зя утверждать, что первый электрон всегда находится в первом ато­ме (у первого ядра), а второй — во втором. Оба электрона находят­ся и в первом атоме и во втором, как бы перепрыгивают из одного атома в другой — обмениваются местами. С этим перепрыгиванием (обменом) связана определенная энергия — обменная, которая суще­ственно зависит от расположения их спинов (параллельны они или антипараллельны). Обменные силы очень быстро убывают с увели­чением расстояния (электрону издали трудно «допрыгнуть» до со­седнего атома).

Следует еще раз подчеркнуть, что обменные силы не связаны с обычным взаимодействием магнитных моментов, которое, как отме­чалось, очень мало и не может объяснить существования магнит­ных атомов и молекул.

Отметим одно свойство обменной энергии. Поскольку обменная энергия зависит от относительного расположения магнитных мо­ментов атомов, то она безразлична к тому, куда направлен магнит­ный момент молекулы (если, конечно, он у молекулы есть).

Итак, в природе существуют атомы и молекулы, обладающие магнитным моментом. Энергии, которые ответственны за существо­вание магнитных моментов, велики. Они определяются электроста­тическим взаимодействием между зарядами, но имеют квантовую природу.

Существует строго доказываемое утверждение: в рамках клас­сической физики магнетизма нет. Все магнитные свойства тел объ­ясняются законами квантовой физики... Наверное, мало кто заду­мывается об этом, используя привычные свойства магнита.

 

 

Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top