yavor1 (553178), страница 89
Текст из файла (страница 89)
Оказалось, что наличие спинового магнитного момента у электрона непосредственно вытекает нз опыта Штерна и Герлаха. й 42.10. Опыт Штерна и Герлаха 1. В 192! г. О. Штерн и В. Герлах поставили эксперимент по прямому измерению магнитных моментов атомов различных химических элементов. Для этой цели пучок атомов пропускался через магнитное поле с сильной неоднородностью, т. е. с большим значением градиента ЛВ/Ьг. Для получения такого большого градиента использовался электромагнит с особой формой полюсных наконечников (рис. 42,14).
Атомы металла, испаряясь в печи 1, проходят через диафрагму 2, образуя узкий пучок. В отсутствие магнитного поля этот пучок оставляет след в центре фотопластинки 3. Если включить магнит- ЛВ ное поле, то вдоль оси г на атомы действует сила Р,—. р,„,— '"~ Лг (41.19), где р, — проекция магнитного момента на ось г. Под дей- 428 ронов меняется, то соответственно должен появиться момент импульса у самого стержня, так, чтобы их алгебраическая сумма сохранила первоначальное значение; благодаря этому стержень поворачивается вокруг оси, параллельной полю. Так было экспериментально доказано наличие у атомов магнитного момента, вызванного виутриатомным движением электронов.
Наличие магнитного момента приводит согласно (42.1) к появлению механического момента импульса. 2. В этом же году С. Дж. Барнетт показал, что существуег эффект, в некотором смысле обратный эффекту Эйнштейна— де-Гааза. А именно, он обнаружил, что если железный стержень привести в быстрое вращение, то он намагничивается. Из этого эксперимента также можно было найти отношение магнитного момента к моменту импульса. 3. Тщательный анализ результатов эксперимента показал, что как в опыте Эйнштейна и де-Гааза, так и в опыте Барнетта отношение магнитного момента к моменту импульса имеет ожидаемый знак, соответствующий отрицательному заряду электронов, но численное значение величины оказалось в даа раза больше, чем по формуле (42.1), т. е. ствием этой силы атомы отклоняются вверх или вниз, в зависимости от того, направлена проекция магнитного момента вдоль или против оси. Измерив величину отклонения пучка и зная градиент индукции поля, можно вычислить проекцию магнитного момента атома.
2. Согласно классическим представлениям любые ориентации магнитного момента относительно оси г равновероятны, так что проекция магнитного момента может принимать любые значения от — р до +р, включая нуль. Соответственно будет меняться и сила, действующая на атомы. А так как в пучке атомов очень много, то согласно классическим представлениям пучок должен размыться Рис 42 14.
в широкую полоску. Оказалось, что такая размытая полоска никогда не возникает! Итак, предположение о равновероятной ориентации магнитных моментов в произвольных направлениях, лежащее в основе классической физики, не соответствует действительности. 3. Опыт показал, что атомы некоторых веществ вовсе не отклоняются в магнитном поле, например, атомы ртути.
Это значит, что у этих атомов отсутствуют магнитные моменты; следовательно, все эти вещества должны быть диамагнетиками, что соответствует действительности. Особенно интересный результат получился в опытах со щелоч- ными металлами литием, натрием, калием (а также с алюминием и некоторыми другими). Здесь атомный пучок разделился на два, которые оба отклонились на одну и ту же величину, но в противоположные стороны (рис. 42.14). Отсюда следует, что проекция магнитного момента данного атома на ось г может иметь только два равных по величине и противоположных по знаку значения.
Измерив величину этого отклонения, удалось показать, что в данном случае проекция магнитного момента атома равнамагнетону Бора: (42. 18) 429 й 42.11. Спин электрона 1. Проанализируем подробнее результат, полученный со щелочными металлами, на примере лития. Литий — третий элемент в периодической системе элементов Менделеева, и потому вокруг его ядра обращаются три электрона (5 73.2). Но вместе с тем литий, как и все щелочные металлы, — одновалентный элемент, Это приводит нас к выводу, что один из электронов лития чем-то отличается от двух других.
Как будет показано в $ 73.1, два электрона лития находятся иа той же орбите, что и два электрона гелия, а третий электрон находится на другой орбите. Электроны, находящиеся на гелиевой орбите, не дают вклада в магнитный момент атома, так как их магнитные моменты скомпенсированы (5 42.4). Следовательно, магнитный момент атома возникает за счет нескомпенсированного магнитного момента валент- ного электрона. Но так как у атомов всех щелочных металлов имеется один валентпый электрон, то все они должны иметь нескомпенсированный магнитный момент.
В результате все щелочные металлы должны быть парамагнетиками, что и наблюдается. 2. Однако внимательный анализ показывает„что этот нескомпенсироваиный магнитный момент не может быть орбитальным моментом. В 1925 г. С. Гаудсмит и Г. Уленбек в результате анализа ряда трудностей, существовавших в атомной физике (в том числе и с объяснением результатов опыта Штерна и Герлаха), пришли к выводу, что электрон должен обладать собственным моментом импульса, который был назван спином (от английского зр!и — вращение вокруг собственной оси) Ц 72.5).
3. Обратимся к выяснению роли спина в происхождении ферромагнетизма. С помощью расчетов, которые не могут быть приведены в данной книге, Я. И. Френкель и В. Гейзенберг показали, что при электростатическом взаимодействии электронов в веществе энергия взаимодействия состоит из двух частей: энергии кулонов- ского поля и еще одного слагаемого, характеризующего так называемое обменное взаимодействие,— чисто квантовомеханический эффект, не имеющий классического аналога (э 74.3).
Оказывается, что при параллельной ориентации спиноз энергия обменного взаимодействия отрицательна, что соответствует силам притяжения. Но ведь минимум энергии — это условие устойчивого равновесия системы (см. 5 19.6). Следовательно, в результате действия обменных сил спиновые моменты атомов должны были бы выстроиться в одном направлении, если бы этому ие мешало тепловое движение. У парамагнетиков энергия обменного взаимодействия меньше энергии теплового движения, вследствие чего эти вещества самопроизвольно намагнититься не могут.
Что же касается ферромагнетиков, то у них при температурах ниже точки Кюри энергия обменного взаимодействия значительно больше энергии теплового движения, в результате чего спины большой группы атомов ориентируются все в направлении легчайшего намагничивания, и тем самым образуются области самопроизвольного намагничивания, т.
е. домены. 9 42.12. Антиферромагиетизм 1. При изучении свойств ферромагнетнков Ландау пришел в 19ЗЗ г. к выводу, что должны существовать вещества, у которых при низких температурах магнитные моменты ориентируются не параллельно, как это имеет место у ферромагнетиков, а антипараллельно, т. е. магнитные моменты у двух соседних атомов расположены противоположно друг другу. В 1938 г. было экспериментально обнаружено, что соединения МпО, МпЯ, Сг,0„%Сг и ряд других действительно обладают антиферромагнитными свойствами. Химический период Иаенипчнмйпериод Ряс.
42.!З На рис. 42.15 изображена схема кристаллической решетки окиси марганца МпО. Светлыми кружочками без стрелок обозначены атомы кислорода, не имеющие магнитного момента; черными кружочками — парамагнитные атомы марганца; стрелками изображены направления их магнитных моментов. Видно, что в кристалле имеются два периода: период решетки (химический период), равный длине ребра куба, параллельным переносом которого можно построить всю кристаллическую решетку, и магнитный период, равный длине ребра того куба, параллельным переносом которого можно построить магнитную решетку. Используя явление дифракции нейтронов Я 69.2), удалось экспериментально показать, что период магнитной решетки вдвое больше периода кристаллической решетки.
2. У антиферромагнетиков существует температура, аналогичная температуре Кюри у ферромагнетиков, выше которой разру- 431 шается магнитный порядок, изображенный на рнс. 42.15, и вещество превращается в обычный парамагнетик. Эта температура Т называется точкой Оееля; она, как и точка Кюри, является температу ой фазового перехода второго рода. о если выше точки фазового перехода ферромагнетики и антиферромагнетики ведут себя в основном одинаково — оба они превращаются в парамагнетики, то ниже этой температуры они ведут себя совершенно по-разному.
У ферромагнетиков ниже точки Кюри благодар я спонтанному намагни- //I чиванию и образованию доменов 4ее7ераитг77елг77г магнитная восприимчивость скачком возрастает в сотни и даже тысячи раз, и затем, вплоть до температур, близких к абсолютному нулю, магнитная восприимчивость 1 мало зависит от температуры. У Фюйре~ее- антиферромагнетиков при темпера- турах ниже точки Нееля возникает Т Т~ магнитный порядок, увеличивается Рис 42 !6. число антипараллельных моментов, и его намагниченность резко уменьшается; соответственно уменьшается и магнитная восприимчивость. По мере снижения температуры магнитный порядок становится все более совершенным, так как уменьшается энергия тепловых колебаний, которые мешают упорядоченной ориентации магнитных моментов.
Следовательно, во мере приближения температуры антиферромагнетика к абсолютному нулю его магнитная восприимчивость также стремится к нулю !рис. 42.16). Рис. 42 !7. Рис. 42.!8. 3. Представим себе вещество с антиферромагнитным порядком, у которого половина атомов марганца заменена другими парамагнитными атомами, имеющими большой магнитный момент, например атомами железа. На рис. 42.17 эти атомы изображены черными кружочками большого радиуса с более длинной стрелкой. При температуре ниже точки Нееля эти вещества окажутся спонтанно 432 намагниченными, поскольку разность магнитных моментов двух соседних парамагнитных атомов не будет равна нулю. Материалы с такими свойствами действительно существуют, их называют ферритами, а магнитные свойства феррнтов — ферри- магнетизмом, Ферриты получают путем спекания порошков, состоящих из тщательно перемешанных окислов железа (Ге,О,) с окислами других металлов — лития, никеля, марганца и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
