Магнитные свойства вещества. Магнитные моменты и гиромагнитные отношения моментов атомов. Диа- и пара-магнетизм.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Причина этого поведения в свойст­вах атомов и молекул при расположении их в магнит­ном поле. Электроны движутся в атомах по орбитам, которые приближенно можно считать круговыми. Электрон, вращающийся по такой орбите эквивален­тен круговому току, поэтому он обладает орбиталь­ным магнитным моментом Р_м.

Его модуль равен: P_m=IS

S — площадь орбиты электрона

ν — частота вращения электрона по орбите

I=νe

Движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса L_e, а из механики известно, что L_e=mv·r

L_e=2mνs

называется орбитальным механическим моментом электрона. Направление векторов и — противоположно, поэтому получаем:

где

g — гиромагнитное отклонение орбитальных моментов.

Знак «—» показывает, что направление векторов и противоположно.

g одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит v и r отличаются.

Кроме орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса и он называется спином.

Спину электрона соответствует свой собст­венный спиновый магнитный момент , который пропорционален , но направлен в противополож­ную сторону.

Величина g_s называется гиромагнитным отноше­нием спиновых моментов.

Диа- и парамагнетики

Электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В произвольно, составляя с ним угол α, то орбита приходит в такое движение вокруг вектора В, при котором вектор магнитного момента , сохраняя постоянным угол α, вращается вокруг вектора В с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессия элек­тронных орбит атома под действием внешнего маг­нитного поля эквивалентна круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то согласно правилу Ленца, у атома появляется магнитная составляющая, направленная против внеш­него поля, то есть ослабляющая внешнее поле. Этот эффект называется диамагнитным эффектом, а вещества, намагничивающиеся против внешнего поля, называются диамагнетиками.

К диамагнетики относятся многие металлы, напр., Bi, Ag, Au, Cu и др., а кроме того, к ним относятся большинство органический соединений углерода и др.

Диамагнетизм свойственен всем веществам, однако, наряду с диамагнетиками существуют и пара­магнетики, т.е. вещества, намагничивающиеся во внешнем поле по направлению поля, тем самым усиливая его.

У парамагнетических веществ при отсутствии внешнего поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга и атомы парамагнетиков обладают магнитным моментом. Но вследствие теплового движения их магнитные моменты ориенти­рованы беспорядочно, поэтому микроскопические парамагнетические вещества магнитными свойствами не обладают.

При наложении магнитного поля устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов по полю. Полной ориентации противодействует те­пловое движение атомов. Таким способом пара­магнетик намагничивается и создает собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При ослаблении внешнего поля до 0 тепловое движение атомов нарушает ориентацию магнитных моментов атомов и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, а также алюминий, платина и др.

Диамагнетический эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамаг­нитного и реально на проявляется.