Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Затем гелий из области вокруг парамагнитной соли откачивают для обеспечения тепловой изоляции парамагнитной соли и отключают внешнее магнитное поле. При размагничивании температура парамагнитной соли понижается, причем значительно, вследствие малых значений теплоемкости. В результате температура парамагнитной соли и охлаждаемого вещества понизится до температуры 1О ...10 К.
Электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс. Расщепление энергетического уровня парамагнитного атома на несколько подуровней (см. рис. 5.4) приводит к появлению ряда физических эффектов. К их числу относится изучаемый в курсах атомной физики и квантовой механики эффект Зеемана, который состоит в появлении дополнительных частот излучения и поглощения атома, помещенного в магнитное поле, за счет расщепления энергетических уровней атома.
Другой эффект, получивший название электронный паранагнитный резонанс, проявляется в случае облучения помещенных во внешнее магнитное поле атомов с системой уровней, изображенной на рис. 5.4, при совпадении энергии квантов излучения Йсэ с разностью энергий подуровней, равной ЛЕ.
В этом случае происходит резонансное поглощение этих квантов парамагнитным атомом, что приводит к увеличению коэффициента поглощения вещества на определенных частотах. Аналогичные эффекты наблюдаются и при облучении помещенных во внешнее магнитное поле ядер (см. рис. 5.4) квантами излучения. При совпадении энергий Ьо и ЛЕ происходит резонансное поглощение этих квантов ядрами, что приводит к увеличению коэффициента поглощения вещества на определенных частотах. Этот эффект получил название ядерный магнитный резонанс. Расщепление ядерного уровня на подуровни обусловливает увеличение числа линий в спектре поглощения гамма-излучения ядрами; такой эффект называют ядерным эффектом Зеемана.
Расщепление уровней атома и ядра также происходит под влиянием неоднородного электрического поля. На этих эффектах основаны резонансные методы исследования веществ (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, ядерный гамми-резонанс и др.), позволяющие измерять электрические и магнитные поля в веществе, а также эффек- 9' 263 тивно изучать локальные процессы, происходящие вблизи атома или ядра, спектр которого анализируется; сам же атом играет в этом случае роль зонда.
Перегруппировки атомов вблизи ядра-зонда (или атома-зонда) искажают электрическое и магнитное поля вблизи него и тем самым делают возможным изучение процессов, происходящих в веществе, например процесса формирования дефектов структуры (см. (2.1)-(2.2)) или процесса образования новых фаз (см. (2.3)). 5.2. Природа магнитного упорядочения Упорядоченное расположение атомных магнитных моментов имеет электростатическую природу и связано с ограничениями, налагаемыми принципом Паули на вид волновой функции электронов.
Покажем это с помощью следующих рассуждений о виде волновой функции двух электронов, которые обобщаются и на случай произвольного числа электронов. Волновую функцию Ч'(г1; г,; р,",; р,"~) двух электронов можно представить как произведение спиновой Ч',.(р,',; р,".~) и координатной частей Ч'„(г1;г,), если спиновые переменные р,',; р', практически не зависят от координатных переменных г; г~. Такое приближение считают корректным при малости спин-орбитального взаимодействия. Антисимметричность волновой функции электронов достигается в двух случаях: антисимметрична ее спиновая часть (чему соответствует противоположное направление спинов), а ее координатная часть симметрична, или симметрична ее спиновая часть (чему соответствует сонаправленная ориентация спинов), а ее координатная часть антисимметрична.
Координатная часть симметричной волновой функции имеет вид г(3~ ~2) Ч г!(~3)Ч г2(у2)+Ч н(гз)Ч г2(й) ($.14) а антисимметричной волновой функции— Ч',Я; гз) = Ч'„,(г)Ч',з(гз) — Ч'„,(гг)Ч'„зЯ). (5.!5) Таким образом, прн различной взаимной ориентации спинов изменяется вид координатной части волновой функции электронов, которая обусловливает форму электронных облаков и связанную с ней электростатическую энергию. Разность значений этой 2б4 энергии для антипараллельной и параллельной ориентаций спинов (или для симметричной и антисимметричной координатной частей волновой функции) называют обменной энергией И~, „.
Можно показать, что И/,„„ = — 22,в,(р,',р,'з), где Ум, — величина, называемая обменным интегралом, зависит от формы облаков электронов, и главным образом, от вида их перекрытия. Наибольшие значения обменного интеграла встречаются у атомов твердых тел с незаполненными внутренними электронными оболочками, например у железа, хрома, марганца, кобальта, никеля, редкоземельных, а также трансурановых элементов. Как величина, так и знак обменного интеграла, зависят от расстояния между атомами, поэтому его значения могут быть различными для одной и той же пары атомов в разных химических соединениях. В частности, это обусловливает существование многих типов магнитного упорядочения.
В случае упорядочения атомных магнитных моментов получается значительный энергетический выигрыш, часто сравнимый с энергетическим выигрышем химической связи при перегруппировках атомов. По этой причине упорядочение атомных магнитных моментов может вызывать перегруппировки атомов в сплаве и даже распад однородного по составу сплава на две фазы, одну— обогащенную элементом, отличающимся сильным упорядочением магнитных моментов, и другую — состоящую из всех остальных элементов (см. 2.4). Подробно эти процессы рассмотрены в литературе по теории сплавов. Магнитная анизотропия. В кристалле энергия магнитного упорядочения зависит от ориентации атомных магнитных моментов и связанных с ними электронных оболочек относительно кристаллографических осей.
На рис. 5.7 изображены два случая ориентации магнитных моментов и электронных оболочек относительно направлений в кубической кристаллической решетке. Так как перекрытие электронных оболочек различное, то ориентациям оболочек должна отвечать разная электростатическая энергия их взаимодействия. Тогда и ориентации магнитных моментов по направлению [010] или (1101 в заданном магнитном поле (с намагниченностью, достаточной для обеспечения почти полной упорядоченности расположения магнитных моментов атомов) соответствует разная энергия. Эту энергию называют энергией магнитной анизотропии, ее объемную плотность и„, обычно рассчитывают с помощью полуфеноменологических формул. 2б5 Рис.
5.7. Перекрытие электронных оболочек атомов в кристалле при раз- личных ориентациях атомных магнитных моментов (а) и направлениях Й внешнего магнитного поля (6) Например, для учета ш в кристалле с кубической кристаллической решеткой считают я функцией направляющих косинусов (а, р, у) вектора намагниченности относительно направлений <100> кристалла.
Эта функция не должна зависеть от знака косинусов и должна быть симметричной относительно перестановок косинусов, поскольку в кубической кристаллической решетке направления вдоль заданного вектора и ему противоположного эквивалентны, а также все три направления <100> эквивалентны. Учитывая эти соображения, функцию и записывают в виде 2р2+ „2 2+пэ2 2)+)Г 2пэ2 2 Для любого кристалла существуют направления, при которых и имеет минимальные значения, их называют направлениями легкого намагничивания. Например, для железа с ОЦК решеткой — направления <100>, для никеля с ГЦК решеткой — <1! 1>, для кобальта с гексагональной решеткой — направление вдоль гексагональной оси с (см. рис. !.4).
При создании новых магнитных материалов и их использовании в электротехнических изделиях необходимо учитывать магнитную анизотропию, например вектор магнитной индукции целесообразно ориентировать вдоль направлений легкого намагничивания. Магнитная анизотропия обусловливает высокие характеристики многих материалов, используемых для изготовления постоянных магнитов. Магиитострикции. При ориентации магнитных моментов атомов и связанных с ними электронных оболочек вдоль одного 266 направления (см. рис. 5.7) неизбежно должны измениться равновесные расстояния между атомами вдоль различных направлений, поскольку ориентированные в одном направлении асимметричные электронные оболочки будут взаимодействовать подругому. Вследствие этого геометрические размеры кристалла изменятся: вдоль одного направления они уменьшатся, вдоль других — увеличатся. Это явление, называемое магнитострикИией, по своим проявлениям аналогично явлению электрострикции (см.
4.7). Магнитострикцию характеризуют константой магнитострикиии насыщения, показывающей относительное изменение длины кристалла в направлении вектора Й в сильных магнитных полях, обеспечивающих практически полный разворот всех магнитных моментов вдоль этого направления. Эта константа для большинства веществ приблизительно равна 10~...10'.
Однако существуют редкоземельные соединения, в которых константа магнитострикции насыщения составляет примерно 10 . Магнитострикцию широко применяют в устройствах генерирования звука и ультразвука. С помощью переменного синусоидального тока заданной частоты оз перемагничивают сердечник из материала с достаточно большой константой магнитострикции насыщения, при этом длина последнего меняется с частотой 2оз и сердечник будет двигать мембрану, передающую колебания окружающей среде.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
