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.