Большая Советская Энциклопедия (МА)

Из общих положений классической статистической физики следует, что электронные системы (без учёта их квантовых свойств) не могут обладать термодинамически устойчивым магнитным моментом (теорема Бора — Ван-Левен — Терлецкого), но это противоречит опыту. Квантовая механика, объяснившая устойчивость атома, дала объяснение и М. атомов и макроскопических тел.

М. атомов и молекул обусловлен спиновыми магнитными моментами их электронов, движением электронов в оболочках атомов и молекул (так называемым орбитальным М.), спиновым и орбитальным М. нуклонов ядер. В многоэлектронных атомах сложение орбитальных и спиновых магнитных моментов производится по законам пространственного квантования: результирующий магнитный момент определяется полным угловым квантовым числомj и равен

где g_i — множитель Ланде, m_в — Бора магнетон (см. Магнитный момент ).

Магнитные свойства веществ определяются природой атомных носителей М. и характером их взаимодействий. О существенном влиянии этих взаимодействий на магнитные свойства говорит, в частности, сравнение магнитных свойств изолированных атомов различных элементов. Так, у атомов инертных газов (Не, Ar, Ne и других) электронные оболочки магнитно нейтральны (их суммарный магнитный момент равен нулю). Во внешнем магнитном поле инертные газы проявляют диамагнитные свойства (см. Диамагнетизм ). Электронная оболочка атомов щелочных металлов (Li, Na, К и других) обладает лишь спиновым магнитным моментом валентного электрона, орбитальный момент этих атомов равен нулю. Пары щелочных металлов парамагнитны (см. Парамагнетизм ). У атомов переходных металлов (Fe, Со, Ni и других) наблюдаются, как правило, большие спиновые и орбитальные магнитные моменты, обусловленные недостроенными d- и f- слоями их электронной оболочки (см. Атом ).

Сильная зависимость М. веществ от характера связи между микрочастицами (носителями магнитного момента) приводит к тому, что вещество неизменного химического состава в зависимости от внешних условий, а также кристаллической или фазовой структуры (например, степени упорядочения атомов в сплавах и т.п.) может обладать различными магнитными свойствами. Например, Fe, Со, Ni в кристаллическом состоянии ниже определённой температуры (Кюри точки ) обладают ферромагнитными свойствами; выше точки Кюри они эти свойства теряют (см. Ферромагнетизм ).

Количественно взаимодействие между атомными носителями М. в веществе можно охарактеризовать величиной энергии e_вз этого взаимодействия, рассчитанной на отдельную пару частиц — носителей магнитного момента. Энергию e_вз , обусловленную электрическим и магнитным взаимодействием микрочастиц и зависящую от их магнитных моментов, можно сопоставить с величинами энергий других атомных взаимодействий: с энергией магнитного момента m_в в некотором эффективном магнитном поле Н_эфф, то есть с e_н = m_вН_эфф, и со средней энергией теплового движения частиц при некоторой эффективной критической температуре T_k , то есть с e_Т = kT_k. При значениях напряжённости внешнего поля Н < Н_эфф или при температурах Т < Т_к будут сильно проявляться магнитные свойства вещества, обусловленные e_вз — внутренними взаимодействиями атомных носителей М. (так называемый «сильный» М. веществ). Наоборот, в областях Н >> Н_эфф или Т >> Т_к будут доминировать внешние факторы — температура или поле, подавляющие эффекты внутреннего взаимодействия («слабый» М. веществ). Эта классификация формальна, так как не вскрывает физической природы Н_эфф и T_k . для полного выяснения физической природы магнитных свойств вещества необходимо знать не только величину энергии e_вз по сравнению с e_Т или e_Н, но также и её физическое происхождение и характер магнитного момента носителей (орбитальный или спиновый). Если исключить случай ядерного М., в котором проявляется эффект ядерных взаимодействий, то в электронных оболочках атомов и молекул, а также в электронной системе конденсированных веществ (жидкости, кристаллы) действуют 2 типа сил — электрические и магнитные. Мерой электрического взаимодействия может служить электростатическая энергия e_эл двух электронов, находящихся на атомном расстоянии (а = 10^{– 8} см ): e_эл ~ е² /a ~ 10^{– 12}эрг (здесь е — заряд электрона). Мерой магнитного взаимодействия служит энергия связи двух микрочастиц, обладающих магнитными моментами mв и находящихся на расстоянии а, то есть e_магн ~ m²_в /а³ ~ 10^{– 16}эрг. Таким образом, e_эл превосходит энергию e_магн по крайней мере на три порядка.

В связи с этим сохранение намагниченности ферромагнетиками (Fe, Со, Ni) до температур Т ~ 1000 К может быть обусловлено только электрическим взаимодействием, так как при энергии e_магн ~ 10^{– 16}эрг тепловое движение разрушило бы ориентирующее действие магнитных сил уже при 1 К. На основе квантовой механики было показано, что наряду с кулоновским электростатическим взаимодействием заряженных частиц существует также чисто квантовое электростатическое обменное взаимодействие , зависящее от взаимной ориентации магнитных моментов электронов. Таким образом, эта часть электрического по своей природе взаимодействия оказывает существенное влияние на магнитное состояние электронных систем. В частности, это взаимодействие благоприятствует упорядоченной ориентации магнитных моментов атомных носителей М. Верхний предел энергии обменного взаимодействия e_об ~ 10^{– 13}эрг.

Значение e_об > 0 соответствует параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть самопроизвольной (спонтанной) намагниченности тел (ферромагнетиков). При e_об < 0 имеет место тенденция к антипараллельной ориентации соседних магнитных моментов, характерной для атомной магнитной структуры антиферромагнетиков. Изложенное позволяет провести следующую физическую классификацию М. веществ.

I. Магнетизм слабовзаимодействующих частиц (e_вз << m_вН или e_вз << кТ )

А. Преобладание диамагнетизма. К веществам с диамагнитными свойствами относятся: а) все инертные газы, а также газы, атомы или молекулы которых не имеют собственного результирующего магнитного момента. Их магнитная восприимчивость отрицательна и очень мала по абсолютной величине [молярная восприимчивость c ~ —(10^{– 7} —10^{– 5} )]; от температуры она практически не зависит; б) органические соединения с неполярной связью, в которых молекулы или радикалы либо не имеют магнитного момента, либо парамагнитный эффект в них подавлен диамагнитным; у этих соединений c ~ —10^{– 6} и также практически не зависит от температуры, но обладает заметной анизотропией (см. Магнитная анизотропия ); в) вещества в конденсированных фазах — жидкой и кристаллической: некоторые металлы (Zn, Au, Hg и другие); растворы, сплавы и химические соединения (например, галоиды) с преобладанием диамагнетизма ионных остовов (ионы, подобные атомам инертных газов, — Li⁺ , Be²⁺ , A1³⁺ , Cl^– и т.п.). М. этой группы веществ похож на М. «классических» диамагнитных газов.

Б. Преобладание парамагнетизма характерно: а) для свободных атомов, ионов и молекул, обладающих результирующим магнитным моментом. Парамагнитны газы O₂ , NO, пары щелочных и переходных металлов. Восприимчивость их c> 0 мала по величине (~ 10^{– 3} —10^{– 5} ) и при не очень низких температурах и не очень сильных магнитных полях (m_вН/кТ << 1) не зависит от поля, но существенно зависит от температуры, для c имеет место Кюри закон c = С/Т, где С — постоянная Кюри; б) для ионов переходных элементов в жидких растворах, а также в кристаллах при условии, что магнитно-активные ионы слабо взаимодействуют друг с другом и их ближайшее окружение в конденсированной фазе слабо влияет на их парамагнетизм. При условии m_в Н/кТ << 1 их восприимчивость не зависит от Н, но зависит от Т — имеет место Кюри — Вейса закон c = C’/(T — D), где C’ и D — константы вещества; в) для ферро- и антиферромагнитных веществ выше точки Кюри q.

II. Магнетизм электронов проводимости в металлах и полупроводниках

А. Парамагнетизм электронов проводимости в металлах (спиновый парамагнетизм) наблюдается у щелочных (Li, К, Na и другие), щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba, Ra) и переходных металлов (Pd, Pt), а также у металлов Sc, Ti, V. Восприимчивость их мала (c ~ 10^{– 5} ), не зависит от поля и слабо меняется с температурой. У ряда металлов (Cu, Ag, Au и других) этот парамагнетизм маскируется более сильным диамагнетизмом ионных остовов.

Б. Диамагнетизм электронов проводимости в металлах (Ландау диамагнетизм ) присущ всем металлам, но, как правило, его маскирует либо более сильный спиновый электронный парамагнетизм, либо диа- или парамагнетизм ионных остовов.

В. Пара- и диамагнетизм электронов проводимости в полупроводниках. По сравнению с металлами в полупроводниках мало электронов проводимости, но число их растет с повышением температуры; c в этом случае также зависит от Т.

Г. М. сверхпроводников обусловлен электрическими токами, текущими в тонком поверхностном слое толщиной ~10^{– 5}см. Эти токи экранируют толщу сверхпроводника от внешних магнитных полей, поэтому в массивном сверхпроводнике при Т< T_k магнитное поле равно нулю (Мейснера эффект ).

III. Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (e_вз >> m_вН или e_вз >> кТ )