Магнетохімія. Магнітні властивості речовин (стр. 2 из 6)
У випадку, якщо магнітні моменти атомів не рівні нулю, то речовина може бути парамагнітною або феромагнітною в залежності від характеристик атомів, що входять до складу речовини:
а) якщо взаємодія між магнітними моментами атомів мала, то речовина парамагнітна;
б) якщо магнітні моменти атомів сильно взаємодіють один з одним, так що утворюються області (домени), в яких магнітні моменти атомів орієнтовані паралельно один до одного, речовина феромагнітна;
в) якщо на цих ділянках магнітні моменти розміщуються антипаралельно, то речовина антиферомагнітна;
г) магнітні моменти атомів розміщені антипаралельно, але не рівні за величиною, то речовини відносяться до феритів.
Області в кристалі феромагнітної речовини, де спіни електронів орієнтовані паралельно, називаються доменами (розмір домен 1 мікрон). В проміжках між доменами будуть ділянки, в яких спіни постійно змінюються – ці ділянки називаються стінками Блоха. Якщо феромагніт не знаходиться в зовнішньому магнітному полі, то орієнтація спінів у доменах буде різною і в цілому кристал не буде мати магнітного моменту.
Залежність магнітної сприйнятливості різних речовин від температури. Магнітна сприйнятливість різних типів магнітних матеріалів відрізняється температурною залежністю, а також своїми абсолютними значеннями. Для парамагнітних речовин виконується закон Кюрі, згідно з яким магнітна сприйнятливість обернено пропорційна температурі (мал. ).
Мал. . Залежність магнітноїпро никності парамагнітних речовин від температури
Для феро- і антиферомагнітних речовин температурна залежність не задовільняє законам Кюрі і Кюрі-Вейса.
Феромагнітні матеріали мають дуже велику магнітну сприйнятливість при низьких температурах, яка по мірі зростання температури різко зменшується (мал. ).
Вище деякої температури Тс матеріал втрачає феромагнітні властивості і перетворюється в парамагнетик, для якого справедливий закон Кюрі-Вейса.
Магнітна сприйнятливість антиферомагнетиків з ростом температури росте (мал. ), а потім спадає як у феромагнетиків. Температура, при якій магнітна сприйнятливість приймає максимальне значення, називається температурою Неєля (ТN), вище цієї температури матеріал перетворюється в парамагнетик.
Додатні значення магнітної сприйнятливості парамагнітних матеріалів пояснюються тим, що в речовині є неспарені електрони, спіни яких у речовини в магнітному полі орієнтуються в напрямку цього поля.
В будь-яких матеріалах ріст температури приводить до збільшення теплової енергії іонів і електронів. Тому з підвищенням температури існує, як правило, тенденція до збільшення структурного розупорядкування. В парамагнітних матеріалах теплова енергія електронів і іонів сприяє частковій декомпенсації впорядкування магнітних моментів атомів, яке виникає під дією зовнішнього магнітного поля. Тому в парамагнітних матеріалах магнітна сприйнятливість з ростом температури зменшується.
У феро- і антиферомагнітних матеріалах вплив температури зводиться до збільшення розупорядкування в ідеально впорядкованому паралельному або антипаралельному розміщенню спінів. У випадку феромагнітних матеріалів це веде до порушення впорядкованості паралельної орієнтації з ростом температури. В антиферомагнітних матеріалах це приводить до зменшення степені антипаралельного впорядкування, тобто до збільшення числа розупорядкованих спінів.
Магнітні властивості електронів, ядер, атомів. Природа діа-, пара- і феромагнетизму обумовлюється магнітними властивостями часток, що входять до складу цих речовин. Розглянемо модель одноелектронного атома (мал. ).
Мал. Модель одноелектронного атома
Електрон на своїй орбіталі можна розглядати як деякий елементарний електричний струм з відповідним зарядом і частотою: І = –е · n, де е – заряд електрона; n – частота руху електрона. Магнітний момент, який виникає навколо цього струму, рівний:
= μ0 · І · S, де І – сила струму; μ0 – магнітна проникність вакуума, або магнітна постійна = 4π10–7 Гн/м; S – площа орбіти, по якій рухається електрон. Тоді можна записати 
= –μ0еnS (1)S = πr2 (2)
n =
(3)Значення (2) і (3) підставляємо в формулу (1):
= –μ0е πr2 = –μ0еv 
= 
μ0еvr – це величина магнітного моменту струму, який створюється рухом одного електрона по орбіті. Вона відповідає магнітному моменту атома, який виникає за рахунок орбітального руху електрона, тому μ = 
( 
– орбітальне квантове число). Цей же рух електрона по орбіталі створює механічний момент кількості руху 
= mnr. Справедливе відношення 
.γ – називають магнітомеханічним або гіромагнітним співвідношенням. Тоді
= γ 
Згідно квантової механіки механічний момент кількості руху електрона квантується за правилом:
, = 0,1,2,...,n–1. Отже = γ 
= 
Величина
складається з добутку постійних величин і називається магнетоном Бора:МБ =
; = –МБ 
Знак ”–” показує, що напрямки орбітального і механічного моменту протилежно направлені.
Електрон в атомі приймає участь в двох рухах одночасно: навколо ядра і навколо власної осі. Рух навколо власної осі називається спіновим, і власний механічний момент кількості спінового руху (спіна) виражається формулою:
РS =
де s – спінове квантове число для електрона рівна
.Для спінового магнітного момента гіромагнітне співвідношення γs визначається:
μs = γsPs ; γs = – 
; 
= 2МБ; μs = – 
.Тоді магнітний момент, який зв’язаний з спіновим рухом електрона рівний
μs = –2МБ
Ядерний магнітний момент. Ядро атома являє собою додатньо заряджене утворення, яке складається з протонів і нейтронів. В кожному ядрі z протонів, де z – порядковий номер елемента і А–Z – число нейтронів, де А – масове число елементу. Ядро, яке складається з А нуклонів, також буде мати власний механічний і магнітний момент. Всі існуючі ядра атомів діляться на чотири типи в залежності від кількості нейтронів і протонів в них.
Таблиця Типи ядер атомів
| Z | A–Z | Квантове число спіна ядра, І |
| парне | парне | 0 |
| парне | непарне | 1/2, 3/2, 5/2 |
| непарне | парне | 1/2, 3/2, 5/2 |
| непарне | непарне | 0; 1; 2; 3 |
Всі ядра парно-парного типу мають власний механічний і магнітний моменти рівні нулю, таких ядер 56. Ядра, з напівцілим спіном, мають власний механічний момент і відповідно магнітний момент не рівний нулю – це парно-непарні і непарно-парні ядра.