Валентные
электроны
, 7 |
|
X \\ ,7/*У |
|
|
|
'Оч |
|
|
|
|
|
\ \\\ |
|||
УУ |
|
|
/у |
|
------ > .чЧ\ |
||
// |
|
{ |
' |
■ ч |
|||
■Г |
У/ |
/ / |
л /' |
( |
;) |
||
|
, |
|
|
||||
|
; |
|
Г О Л |
||||
\чXIVч^^- |
// |
У// / |
ч |
ч |
|
ч— ^ |
|
\ ЧЧ |
|
'Ц й г ) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
У/ |
Рис. 3.2. Электронная пара. Электроны, движущиеся по орбите вокруг отдель ного ядра или нескольких ядер, образуют пары, стремясь взаимно скомпенси ровать действие своих магнитных полей. Магнитные явления могут порождать ся только неспаренными электронами:
Ц — электронная пара; \ — неспарснный электрон; О — нон
обладает. Ядерные магнетоны имеют довольно сложные магнит ные свойства. Хотя их спин можно определить только по актив ности одного нуклона, масса и электрический заряд определя ются совокупностью нуклонов.
Структура электронных орбит атомов всех типов подчиняется одной и той же общей схеме. Каждая орбита образует пару с соседней орбитой, имеющей точно такое же квантовое число, за исключением спинового квантового числа. Если каждая из этих двух орбит занята электроном, то спины электронов такой пары направлены в противоположные стороны. Как показано на рис. 3.2, магнитное поле одного электрона взаимодействует с полем другого в пределах их микроокрестности, а по отноше нию к внешним силам их собственные поля оказываются пол ностью взаимно скомпенсированными.
Вследствие того что каждая заполненная подоболочка атома образуется электронными парами, регистрируемый извне момент может возникнуть только в случае частично заполненной под оболочки. Такие условия требуют, чтобы атом содержал нечетное число электронов. На самом деле, если незаполненной является наружная подоболочка, то два неспаренных электрона двух соседних атомов в молекуле могут образовать пару, что при водит к взаимной компенсации их моментов. Поскольку свобод ные электроны легко образуют пары, они не обладают обнаружимым извне магнитным моментом, если только не разъединить их при помощи теплового или какого-либо иного сильного воз действия.
Из-за образования пар исключается формирование обнаружимых магнетонов в большинстве ассоциаций молекул; если же присутствуют обнаружимые магнетоны (нуклонного или электронного типов), то они могут свободно взаимодействовать с другими магнетонами и магнитными полями.
Между двумя магнетонами существует сила притяжения, обусловленная взаимодействием их магнитных полей. Хотя эта сила сложным образом зависит от расстояния между магнето нами, в общем случае напряженность поля убывает обратно про порционально некоторой высокой степени этого расстояния.
Два магнетона образуют пару в результате взаимодействия их полей при малом расстоянии между магнетонами, поскольку в этом случае взаимодействие будет достаточно сильным, чтобы полностью преодолеть влияние более слабых полей от удаленных источников. В то же время сочетание двух сильных полей в малой области пространства приводит к взаимной компенсации влияний этих полей на сравнительно больших расстояниях от пары магнетонов. Таким образом, при тесном объединении маг нетонов в пару они не подвержены влиянию других магнитных полей и сами не вносят никакой вклад в эти поля.
Если же имеются силы, препятствующие тесному сближению магнетонов, то формирования пары не происходит. Поле одного магнетона может продолжать взаимодействовать с полем дру гого, но теперь это взаимодействие реализуется посредством значительно более слабых полей. Их напряженность соизмерима или даже меньше, чем напряженность полей от других источни ков. При таких условиях каждый магнетон функционирует как самостоятельный объект, а не как составная часть пары. Маг нетон, не входящий в пару, может и реагировать на внешнее поле, и вносить свой вклад во внешние поля.
Ядра, содержащие нечетное число нуклонов, обладают свой ствами ядерных магнетонов. Среди многочисленных возможных типов ядерных магнетонов наиболее сильно выражены магнитные эффекты у одиночных протонов.
Неспаренные электроны на внутренних незаполненных под оболочках атома имеют обнаружимые магнитные моменты, если рассматриваются магнитные силы вне ближайших окрестностей молекул. В этом случае отдельные электроны в атоме удалены один от другого на достаточное расстояние, чтобы каждый из них не испытывал действия сильного локального поля другого электрона. Когда магнитные поля внутри молекулы являются слабыми, поскольку электроны не сближаются на очень малое расстояние, эти электроны подвержены влиянию магнитных полей, источники которых расположены за пределами рассмат риваемой молекулы. Благодаря относительно высокой скорости собственного вращения такие электроны действуют как наиболее сильные магнетоны. Подходящее название для них — магнетоны Ланжевена, поскольку они играют важную роль при объяснении явления парамагнетизма Ланжевена.
Электроны проводимости -в большинстве своем образуют
пары, хотя некоторые из них остаются неспаренными (под элек тронами проводимости имеются в виду электроны, движение которых создает электрический ток, т. е. они «несут» ток). Вслед ствие того что энергии электронов проводимости подчиняются закону распределения Ферми — Дирака, большее значение энер гии у этого малого числа неспаренных электронов обусловливает отличие их свойств от свойств большинства электронов, имею щих меньшее значение энергии. В этих условиях небольшое число электронов, избежавших образования пар благодаря своим высокоэнергетическим состояниям, ведет себя как магнетоны Паули. Влияние таких магнетонов проявляется не очень сильно, так как их число невелико. На самом деле, поскольку электроны проводимости также вносят вклад в явление диамагнетизма, отрицательный диамагнитный эффект может оказаться сильнее, чем положительный эффект Паули. У одних веществ сильнее проявляется один из этих эффектов, у других веществ — другой.
Электроны на атомных орбитах движутся по сферическим траекториям, которые не приводят к созданию магнитных полей. Электроны на молекулярных орбитах движутся по траекториям, которые не являются сферическими. Асимметрия молекулярных орбит обусловливает возникновение магнитных полей, в боль шинстве случаев сходных с полями магнетонов. Поэтому такие поля связывают с магнетоном Ван-Флека, хотя, строго говоря, источником поляризованного магнитного поля в данном случае не является заряженная частица со спином.
3.9. КОГЕРЕНТНОСТЬ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ОСЕЙ МАГНЕТОНОВ
Электроны и ядра объединяются в различные упорядоченные структуры отчасти из-за наличия у них электрических зарядов. К таким структурам относятся атомы, молекулы, радикалы, газы, жидкости, стеклообразные вещества, кристаллы и биологические объекты. Электрический заряд — это основной фактор, опреде ляющий положение каждой частицы в- таких структурах.
Кроме всего, электроны и ядра являются заряженными час тицами со спином, они действуют как магнетоны. Магнитные свойства этих магнетонов представляют собой один из источни ков сил связи, который в сочетании в электрическими зарядами обусловливает образование определенной структуры. Хотя элек тростатические и магнитные силы всегда действуют в тесной координации между собой, их можно рассматривать как два различных явления. Положение магнетона в пространстве опре деляется электростатическими силами, тогда как направлением его оси управляют магнитные силы.
Нередко направления магнетонов можно изменять опреде ленным образом, не оказывая при этом существенного влияния на структуру электростатических сил. Однако в большинстве
случаев заданное распределение направлений магнетонов все же определенным образом сказывается и на структуре электро статических сил. Магнитопреобразование — это одно из явлений, связанных с такими относительно слабыми эффектами.
При отсутствии силы, изменяющей ориентации магнетонов, направления осей магнетонов Ланжевена некогерентны, т. е. на правление оси каждого отдельного магнетона является случай ным и непрерывно изменяется вследствие беспорядочного теп лового движения различных заряженных частиц в пределах их химических связей. На рис. 3.3 иллюстрируется случайное рас пределение ориентаций магнетонов, причем следует представлять это изображение в динамике, когда оси магнетонов непрерывно изменяют свои направления под влиянием тепловых сил.
Хотя беспорядочное движение часто рассматривают как не кое тепловое явление, оно тоже служит достижению основной цели — сведению к минимуму энергии — за счет минимизации напряженности результирующего магнитного поля, которое является суммой полей отдельных источников. Поле каждого магнетона погашается под влиянием соседних магнетонов со случайной ориентацией, а также за счет собственных случайных изменений ориентации.
Если ко всем магнетонам, содержащимся в данной области вещества, приложено общее внешнее магнитное поле, то неко торые из них будут поворачиваться, ориентируя свои оси па раллельно внешнему полю. Возможны два направления упоря доченных таким образом магнетонов — одно совпадает с направ лением внешнего поля («параллельные» магнетоны), другое
Парамагнитное
Вещество
> 7^1 |
Парамагнитное |
|
вещество |
^^л овое рассеяние
Рис. 3.3. Случайное распределение ориентаций магнетонов. Тепловые колебания парамагнитных магнетонов, ориентации которых представляются случайно рас пределенными, на самом деле обусловлены явлением взаимной компенсации магнитных полей, приводящей к минимизации суммарного поля:
/ — магнетон
Рис. 3.4. Парамагнитные магнетоны. Когда парамагнитное вещество помещено во внешнее магнитное поле, некоторые из магнетонов, объединившихся в про тиводействующие пары, ориентируются вдоль силовых линий приложенного внешнего поля, некоторые продолжают тепловые колебания, и небольшое число избыточных неспаренных магнетонов ориентируется по направлению прило женного поля, усиливая его:
| — магнетон; | — избыточный магнетон
противоположно ему («антипараллельные» магнетоны). Отно сительные заселенности параллельных и антипараллельных маг нетонов зависят от напряженности приложенного поля. Чем сильнее поле, тем больше заселенность параллельных магне тонов и меньше заселенность антипараллельных.
На рис., 3.4 иллюстрируется ситуация, когда большинство магнетонов имеет упорядоченные ориентации, но некоторое их число еще проявляет случайную тепловую активность. На ри сунке магнетоны с параллельной ориентацией уравновешивают ся магнетонами с антипараллельной ориентацией, за исключе нием очень небольшого избытка заселенности параллельных магнетонов. Эта избыточная заселенность магнетонов показана стрелками увеличенных размеров.
Беспорядочное тепловое движение частиц приводит к тому, что отдельные магнетоны Ланжевена переходят из когерентного
в некогерентное состояние |
и обратно, а |
также опрокидывают |
ся — перескакивают между |
состояниями |
параллельной и анти |
параллельной ориентации. Хотя отдельные магнетоны непрерыв но изменяют свою ориентацию, две указанные популяции (с па раллельной и антипараллельной ориентациями) сохраняют свою численность, характерную для заданных условий. Описанные явления дают приближенное представление об одном из аспектов квантовой теории: степень намагниченности вещества изменя ется при каждом опрокидывании магнетона, причем опрокиды вание одного магнетона изменяет относительные заселенности параллельных и антипараллельных магнетонов на два магнитных кванта.
Соотношение между заселенностями параллельных и анти параллельных магнетонов можно трактовать как расширение принципа спаривания, так как параллельные и антипараллель ные магнетоны в присутствии относительно слабых локальных полей образуют «переходные» пары, тогда как при сильных ло кальных полях они образуют «сблокированные» пары.
3.10. НАМАГНИЧЕННОСТЬ
Намагниченность — это термин, используемый для описания магнитного поля, устанавливающегося в веществе вследствие его поляризации. Это поле возникает под влиянием приложен ного внешнего магнитного поля и объясняется двумя эффектами. Первый из них состоит в поляризуемости атомов или молекул, его называют эффектом Ленца. Второй — это эффект поляриза ции при упорядочении ориентаций магнетонов.
Намагниченность характеризуется следующими свойствами: 1. При отсутствии внешнего магнитного поля или какой-либо иной силы, упорядочивающей ориентации магнетонов, намагни
ченность вещества равна нулю.