лам относятся, прежде всего, простые электростатические силы притяжения и отталкивания, далее следуют более сложные и раз нообразные механизмы связи и, наконец, развитые связи в прекрасно упорядоченных кристаллах и биологических объек тах материального мира. В этой иерархии каждая относительно сложная система взаимосвязей базируется на конфигурациях силовых полей своих более простых составных частей.
Существенный вклад в эти силы связи вносят микроминиа тюрные магнитные поля. На формирование структур влияют как ориентация магнетонов, так и вид траекторий электронов. При определенных условиях внешнее магнитное поле может изменять структуру вещества, воздействуя на ориентацию магне тонов или форму траектории электронов. Таким образом, яв ления, связанные со взаимодействием между структурой ве щества и энергией, изменяются под влиянием приложенных извне магнитных полей. К таким явлениям относятся некоторые химические процессы.
3.1. КОНФИГУРАЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ
Любое вещество состоит из дискретных частиц, с каждой из которых связаны поля трех различных типов. Объединение двух или большего числа частиц не приводит к полной взаимной компенсации влияния каждой отдельной частицы, т. е. в прост ранстве продолжает существовать силовое поле определенного направления, каким бы способом ни были объединены частицы. Совокупность двух или нескольких таких «остаточных» полей образует поле более высокого иерархического уровня.
Например, два электрона с противоположными по направле нию спинами притягиваются один к другому благодаря своим «противоположным» магнитным полям. В то же время они вза имно отталкиваются из-за своих «одинаковых» электрических полей. Хотя при сближении электронов их общее магнитное по ле ослабевает, электрическое поле при этом усиливается. Уста навливается потенциальное электрическое поле, которое, в свою очередь, может образовать более сложную конфигурацию в со четании с другими полями.
Такие конфигурации силовых полей все более усложняются при возрастании числа объединяющихся частиц и в конце концов приводят к макроскопическим проявлениям гравита ционных сил, внешних магнитных полей и крупномасштабных скоплений электрических зарядов.
Магнитные поля, порождаемые движением заряженных час тиц, вносят вклад в образование химических связей, обеспечива ющих существование каждого вещества как единого целого. Не которые из заряженных частиц движутся по различным траектори ям, другие совершают вращение относительно собственных осей. Эти два принципиально различающихся типа движения частиц ле
жат в основе двух главных классов и нескольких подклассов магнитных явлений. Явления, происхождение которых связано с изменением формы траекторий частиц, называются диамагнит ными, а явления, обусловленные изменением ориентации осей частиц,— парамагнитными, ферромагнитными, антиферромагнит-
ными, ферримагнитными, антиферримагнитными или гелимагнитными в зависимости от того, какая конкретная ориентация спи нов устойчива при заданных условиях внешней среды и химиче ских свойствах вещества.
3.2. МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Материальное тело содержит в себе определенное количе ство энергии и имеет определенную массу. Общая энергия тела подразделяется на несколько составляющих, соответствующих тепловой, электрической, механической, электромагнитной и хи мической формам энергии. Кроме того, вся энергия данного тела распределена между многочисленными частицами атомных размеров, из которых состоит тело. Энергия в каждой конкрет ной форме имеет минимально возможное значение, соответству ющее минимальным значениям энергии, представленной в других формах.
Например, электрон притягивается к атомному ядру под влиянием электростатических сил. Чем ближе к ядру окажется электрон, тем меньше будет электростатическая энергия такой системы. В то же время электрон вращается по орбите вокруг ядра, и чем больше он приближается к ядру, тем выше стано вится скорость его орбитального движения. Поскольку высоко скоростные орбиты обладают большей механической энергией, чем низкоскоростные, электростатическая и механическая силы противодействуют одна другой. Электростатическая сила являет ся центростремительной, тогда как механическая орбитальная сила — центробежной. В конечном итоге достигается равновесие между этими противоположно направленными силами, и элек трон продолжает вращение по орбите на расстоянии от ядра, соответствующем минимальному значению суммы энергий, на ходящихся в механической и электрической формах.
Если полная энергия системы изменится, то может изме ниться и соотношение между энергиями разных форм, а также между энергиями, которыми обладают отдельные частицы. Эти изменения могут иметь весьма существенные последствия. На пример, если подвести к твердому телу очень небольшое коли чество тепла при заданной температуре, то тело может распла виться и превратиться в жидкость без какого-либо изменения температуры.
Одна из причин такого внезапного превращения связана с закономерностями квантовой механики. Согласно этим законо мерностям изменения энергии не являются непрерывными. Все
такие изменения имеют скачкообразный, дискретный, или квантовый, характер. Хотя отдельные скачки, или кванты, очень малы, все же процесс протекает дискретно. Если большое чи сло этих малых скачков происходит в одних и тех же условиях и в один и тот же момент времени, то суммарный их эффект мо жет быть очень существенным, даже взрывным по характеру.
Согласно этим соотношениям для квантованной минималь ной энергии магнитное поле поддерживается за счет некоторой формы потенциальной энергии. Для поддержания более сильно го поля нужна большая энергия, чем для поддержания относи тельно слабого поля. Кроме того, энергия тем больше, чем больший объем пространства занят магнитным полем. Реализа ция такой минимальной энергии будет достигнута, если мини мизировано магнитное поле в целом, т. е. как по напряжен ности, так и по объему. Следовательно, различные частицы ма териального тела, создающие магнитные поля, всегда находят ся в таких соотношениях, чтобы обеспечивать минимизацию в указанном смысле магнитных полей, поскольку этот минимум соответствует минимумам энергии, проявляющейся в других формах.
3.3. СВОЙСТВА ТРАЕКТОРИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Каждый атом содержит определенное число электронов, не прерывно движущихся по орбитам относительно ядра. В каж дый момент времени орбитальный электрон движется по более или менее круговой траектории вокруг ядра. Ось этой окруж ности непрерывно изменяет свое положение так, что за опреде ленный период времени электрон проходит через все точки, об разующие поверхность некоторой сферы.
Такое циклическое движение электрического заряда создает в каждый момент времени тороидальное магнитное поле. Од нако поскольку ось тороида непрерывно изменяет свое направ ление, поле, генерируемое при одном направлении этой оси, компенсируется полем, генерируемым при некотором ином на правлении. В результате этого электрон, вращающийся по та кой сферической орбите, в итоге не создает никакого магнит ного поля. Фактически именно невозможность создать в этих условиях магнитное поле является тем фактором, который заставляет электрон двигаться по этой сферической орбите.
Если на эти циклические движения наложить внешнее маг нитное поле, то возникнут условия, аналогичные тем, какие ил люстрируются для движущегося электрона на рис. 2.2. Хотя орбита — это не прямая линия, движущийся по ней электрон все же испытывает силу Лоренца, поскольку его заряд взаимо действует с внешним полем. Это взаимодействие вызывает из менение формы орбиты. Мгновенная круговая орбита принима
ет эллиптическую форму, а сферическая орбита становится эл липсоидальной. Такое изменение формы сферической орбиты порождает поле Ленца, противодействующее приложенному внешнему полю.
В некоторых сложных молекулах электроны связи движутся по более протяженным и сложным траекториям, чем орбита электрона вокруг ядра. В соответствии с тем же принципом от клонения траектории Лоренца внешнее магнитное поле приво дит к изменению молекулярных орбит, и возникают поля Ленца. Такая ситуация с появлением полей Ленца свойственна не только регулярным движениям электронов на орбите.
Как ионы и электроны плазмы, так и электроны проводи мости в твердом теле представляют собой заряженные частицы, описывающие, вообще говоря, случайные траектории. Кажущая ся неупорядоченность этих случайных движений, однако, не является совершенно бесцельной или лишенной какой-либо закономерности. Одно из следствий такой случайной активно сти частиц — это полная компенсация всех локально генериру емых магнитных полей, которые могли бы порождаться в ре зультате движения по траектории или же определенной ориента ции спинов заряженных частиц. Поскольку для поддержания магнитного поля в пространстве требуется энергия какого-либо вида, в любом механизме взаимной компенсации полей прояв ляется принцип минимальной энергии. Наложение внешнего магнитного поля на эти беспорядочно движущиеся частицы изменяет степень их неупорядоченности, вследствие чего воз никают поля Ленца, противоположные внешнему полю. Ин
тересно заметить, что |
случайный |
характер движения частиц |
и сферическая форма |
орбит — это |
два совершенно различных |
механизма, обеспечивающих достижение одного и того же ре зультата, а именно локальной компенсации полей.
Представленные общие принципы применимы для траекторий всех электрически заряженных частиц в любых условиях. Сте пень выраженности описанных явлений зависит от того, на сколько близко от исходной траектории удерживается заряжен ная частица. В соответствии с этим диамагнитные свойства, вызванные эффектом Мейсснера (см. § 24.1), проявляются на много сильнее, чем диамагнитные свойства, обусловленные орбитальными электронами, так как на движение электронов проводимости при температурах, близких к абсолютному нулю, налагаются значительно меньшие ограничения, чем на движе ние орбитальных электронов.
3.4. ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ЛЕНЦА
Явление |
диамагнетизма — |
это прямое |
следствие |
действия |
сил Ленца, |
возникающих при |
помещении |
вещества в простран |
|
ство, где |
имеются магнитные |
поля. Диамагнитные |
вещества |
|
вызывают ослабление любого внешнего магнитного поля, в ко тором они находятся. Как показано на рис. 2.3, вектор поля Ленца всегда направлен противоположно вектору поля, прило женного извне. Это справедливо для любого направления не зависимо от ориентации диамагнитного тела относительно при ложенного поля.
Любое тело, изготовленное из диамагнитного материала, не только ослабляет внешнее поле из-за влияния противодейст вия Ленца, но испытывает также действие определенной силы, если внешнее поле неравномерно в пространстве. Эта сила, за висящая от направления градиента поля и не зависящая от направления самого поля, стремится переместить тело из об ласти относительно сильного магнитного поля в область более
слабого поля — туда, |
где изменения |
электронных |
орбит |
будут |
минимальны. |
|
|
|
|
Механическая сила, действующая |
на диамагнитное |
тело |
||
в магнитном поле, |
является мерой |
атомных |
сил, стремя |
|
щихся удержать орбитальные электроны на сферических орбитах.
Все вещества являются диамагнитными, поскольку их эле ментарные составные части — это атомы с орбитальными элек тронами. Некоторые вещества создают как поля Ленца, так и спиновые поля. Вследствие того что спиновые поля обычно на много сильнее, чем поля Ленца, при возникновении полей обоих типов, как правило, преобладают эффекты, обусловленные спи новыми полями.
Диамагнетизм, являющийся результатом изменения элек тронных орбит, обычно бывает слабо выражен, так как локаль ные поля, воздействующие на отдельные электроны, намного сильнее, чем приложенные внешние поля, стремящиеся изме нить орбиты всех электронов. Поскольку изменения орбиты малы, связанное с этими изменениями противодействие Ленца также невелико.
В то же время диамагнетизм, обусловленный случайным движением элементов плазмы, проявляется значительно силь нее, чем диамагнетизм, связанный с изменением электронных орбит, так как ионы и электроны плазмы не испытывают дейст вие больших сил связи. В этом случае относительно слабые магнитные поля существенно изменяют траектории частиц.
Диамагнетизм множества отдельных микроскопических ча стиц, движущихся по траекториям различных видов, можно рас сматривать как результат влияния эквивалентного контура тока, окружающего тело, вещество которого содержит эти частицы. Измерение этого тока позволяет дать количественную оценку диамагнетизма.