Намагниченность вещества. Диа- и парамагнетики

Магнитные моменты электронов и атомов.

 

Все вещества реагируют на наличие магнитного поля, поэтому все вещества являются магнетиками. Мы раньше формально учитывали магнитные свойства среды при помощи магнитной проницаемости m.. Сейчас мы попытаемся определить, какими же процессами в веществе определяется изменение m или, другими словами, почему вещества ведут себя по-разному в магнитном поле. Наше рассмотрение будет качественным и основанным на гипотезе Ампера, согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах. При этом движение электрона по орбите рассматривается в рамках классических представлений. При таком движении электрон создаёт круговой ток I=ev (e – заряд электрона, v – частота вращения) и, следовательно, обладает орбитальным магнитным моментом

p_m=IS=evS. (3.82)

Кроме того, было установлено, что электрон обладает собственным магнитным (его ещё называют спиновым) магнитным моментом. Под спином понимают собственный механический момент импульса электрона. Но любой заряд, обладающий механическим моментом импульса, обладает и магнитным моментом. Было также установлено, что проекция спинового магнитного момента на направление внешнего поля может принимать только 2 значения, которые называются магнетоном Бора:

. (3.83)

Здесь h – постоянная Планка, а m_B – так называемый магнетон Бора. Таким образом, суммарный магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома p_a, в свою очередь, должен складываться из магнитных моментов электронов и магнитных моментов ядер. Последние, однако, в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов (см. 11.2), поэтому можно записать, что

. (3.84)

Для характеристики магнитных свойств веществ вводится величина, которая называется намагниченность и которую для однородного вещества можно определить как магнитный момент единицы объёма:

. (3.85)

Имеются вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитный момент атомов, а, следовательно, и намагниченность, равны нулю. Такие вещества называются диамагнетиками. Если включить внешнее магнитное поле, то, в соответствии с законом Ленца, на движение электронов в атоме будет накладываться движение (такое движение называют прецессией), которое будет порождать магнитный момент (магнитное поле), направленное против внешнего поля. Подчеркнём, что такое индуцированное поле, ослабляющее внешнее поле, будет наблюдаться у всех веществ, независимо от того, имеют ли атомы собственный магнитный момент или нет. Просто для диамагнетиков этот эффект проявляется в чистом виде (поэтому он и называется диамагнитным). Итак, можно дать двоякое определение диамагнетиков. С одной стороны – это вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. С другой стороны – это вещества, которые ослабляют внешнее магнитное поле.

Имеется ещё один класс веществ, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов не равны нулю, но вследствие теплового движения магнитные моменты атомов направлены хаотически, и намагниченность равна нулю. Такие вещества называются парамагнетиками. Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее воздействие на магнитные моменты атомов, каждый из которых приобретает составляющую магнитного момента вдоль направления внешнего поля. Подчеркнём, что и парамагнетикам присущ диамагнитный эффект, но определяющим его магнитные свойства является именно ориентирующее действие внешнего магнитного поля на магнитные моменты атомов.