Реферати українською » Химия » Магнетохімія. Магнітні Властивості речовін


Реферат Магнетохімія. Магнітні Властивості речовін

Страница 1 из 2 | Следующая страница

>МАГНЕТОХІМІЯ.МАГНІТНІВЛАСТИВОСТІРЕЧОВИН

>Магнетохімія –розділхімії,вивчаючиймагнітнівластивостіречовин, атакож їхньогозв’язок ізбудовою молекул.Становленняїї як науки можнавіднести до початку ХХстоліття, коли буливідкритіосновнізакони магнетизму.

>Вимірюваннямагнітноїсприйнятливостівизначаєнаявність, чивідсутністьнеспаренихелектронів в атомах,іонах чи молекулах. Це на свійчергудаєвідомості простепіньзайнятостіорбіталей й,відповідно, прохімічнийзв’язок йстереометрії.Наприклад:

1)використаннятеоріїмолекулярнихорбіталей до молекул Про2 та P.S2показує, що у якихє дваелектрони, котріповиннізайматидвівиродженірозпушуючімолекулярні-орбіталі. Увідповідності із правиломХунда, накожнійорбіталі виннеперебувати за однимелектрону, врезультаті чого уцих молекул якщо двінеспаренихелектрони. Це було бпідтвердженоекспериментально шляхомвстановленняпарамагнітнихвластивостейцихгазів;

2)деякіпростімолекули,такі як NO, NO2,ClO2парамагнітні, так якмаютьнепарне числоелектронів. Однак вконденсованомустані NO й NO2стаютьдіалектними, щовказує надимеризацію молекул;

3) усівідомісоліфосфорнуватоїкислоти (М2РВ5)діамагнітні, ацесвідчить про ті, що молекулакислотидимарна (М4Р2Про6) зструктурою

М – Про Р – Про – Р Про – М

М – Про || || Про – М

Про Про

а чи немономарна, це у цьомувипадку умолекулікислоти (М2РВ3) було б б не хлопця числоелектронів.

Магнетизм – фундаментальнавластивістьматерії. Привнесенніречовини вмагнітне поліспостерігаєтьсявзаємодіяречовини ізданим полем.Магнітне полі,взаємодіючи ізречовиною,змінює свою величину упорівнянні із вакуумом.Степіньнамагнічуванняречовини вмагнітномуполівимірюєтьсявеличиноюмагнітного моменту наодиницюоб’єму І, котравизначаєтьсярівнянням:

У = М +4І (гс) (1)

де У –загальнакількістьмагнітнихсиловихліній наодиницю поверх-

анізразка, чизагальниймагнітнийпотік взразку;

М –напругамагнітного поля була верстедах.

>Поділивширівняння (1) на М, одержимо

Р = 1 +4х

де Р = –магнітнапроникністьзразка; x = –об’ємнасприйнятливістьзразка.

Увакуумі У = М, так що Р = 1, а x = 0.

У –магнітнаіндукція (Т1)зв’язана ізмагнітноюпроникністю йнапруженістюмагнітного поля такоюзалежністю:

У =0 · Р · М

е0 –магнітнапостійна,0 =410–7Гн/м; Р –магнітнапроникність; М –напруженістьмагнітного поля (>А/м).

Длябільшостіречовин Рдужеблизьке доодиниці, тому вмагнетохімії, деосновнимоб’єктомє молекула,використовують величину (>магнітнусприйнятливість), щовизначаєтьсярівнянням:

 = .

>Можнавіднести доодиниціоб’єму,маси чикількостіречовини, тоді вонавідповідноназиваєтьсяоб’ємною  (>безрозмірна),питомою (>cм3/р) чимолярною (>cм3/міль)магнітноюсприйнятливістю; вакуумурівна нулю.Речовини можнарозділити надвікатегорії: тих, щопослабляютьмагнітне полі ( < 0),називаютьсядіамагнетиками; тих, щопідсилюютьмагнітне полі ( >0) –парамагнетики.Якщо взовнішнємагнітне поліпоміститидіамагнітнуречовину, то числосиловихліній, котріпроходять череззразок, якщодещо менше від числасиловихліній увакуумі йвідповіднодіамагнітніречовини будутьвиштовхуватись ізмагнітного поля. Увипадкупарамагнітнихречовин числосиловихліній, котріпроходять череззразок, якщобільшим, ніж числосиловихліній увакуумі, томувідповіднопарамагнітніречовини будутьпритягуватисямагнітним полем .

>Діамагнетики йголовним чиномпарамагнетикиєоб’єктамививченнямагнітохімії

>Діамагнетизм –найважливішавластивістьматерії,обумовлена тім, що поддієюмагнітного поляелектронніоболонкипочинаютьпрецисувати, а, яквідомо,будь-який рухелектричного зарядувикликаємагнітне полі, яку за правиломЛінь якщонаправлене так,щобзменшитидію із боцізовнішнього поля.Електроннупрецесію при цьому можнарозглядати яккруговіструми.Діамагнетизмвластивий усімречовинам,окрім атомарноїводню, бо у всіхречовинахєспареніелектрони йзаповненіелектронніоболонки.

>Парамагнетизмобумовленийнеспаренимиелектронами, котріназиваються так бо їхньоговласниймагнітний момент (>спін)нічим неурівноважений (>відповідноспіниспаренихелектронівнаправлені впротилежністорони йкомпенсують один одного). Умагнітномуполіспінипрагнутьвишикуватися понапряму поля,підсилюючи його,хочацей порядок йпорушуєтьсяхаотичнимтеповим рухом. Томузрозуміло, щопарамагнітнасприйнятливістьзаежить відтемператури –чимнижча температура, тімвищезначення . Унайпростішомувипадкуцевиражаєтьсязалежністю, Яканазивається закономКюрі:

 =                                                                                              (2)

де З – константаКюрі, чи закономКюрі-Вейсса:

 =                                                                                          (3)

де – поправка Вейсса.

>Цей видмагнітноїсприйнятливостіщеназиваютьорієнтаційнимпарамагнетизмом,оскільки його причина –орієнтаціяелементарнихмагнітнихмоментів взовнішньомумагнітномуполі.

>Магнітнівластивостіелектронів ватомі можнаописуватидвома способами. Упершомуспособівважається, щовласний (>спін)магнітний моментелектрона неробитьвпливу наорбітальний (>обумовлений рухомелектронівнавкруги ядра) момент чинавпаки.Точніше,такийвзаємнийвпливєзавжди (>спін-орбітальнавзаємодія), але й для3d-іонів воно тамале, ймагнітнівластивості можна іздостатньоюточністюописуватидвомаквантовими числами L (>орбітальне) й P.S (>спінове). Дляважчихатомівтакенаближеннястаєнеприйнятним й вводитисящеоднеквантове числоповногомагнітного моментуJ, якуможеприйматизначення від |L + P.S| до |L – P.S|.Ван-Флекрозглянувенергетичнівнескиорбіталейзалежно відвпливумагнітного поля (згідноквантомеханічнійтеоріїзбурень їхнього можнарозкласти до кількох йпідсумовувати):

Єn = + H+ H2                                                                           (4)

де М –напруженістьмагнітного поля йвідповідно Є(0) –внесок,незалежний відзовнішнього поля, Є(1) –внесок, прямопропорційний полю, й т. буд. При цьомувиявилося, щоенергіянульового порядкувизначаєтьсяспін-орбітальноювзаємодією,важливою вописіхімічнихзв’язків:

Є(0) =LS (5)

де – константаспін-орбітальноївзаємодії.Енергія Першого порядку (>взаємодіїмагнітного моментунеспареногоелектрона (> =gS) ізмагнітним полем М)рівна

Є(1) =gНS (6)

де g – чинникЛанде,звичайнорівнийдвом длябільшостіз’єднань, – магнетон Бору,рівний 9,27 · 10–19ерг/Е (>нагадаємо, щоенергіямагнітнихвзаємодій –цейскалярнийдобутоквекторівмагнітнихмоментів й М.

>Післяматематичнихперетвореньвираз длямакроскопічноїмагнітноїсприйнятливості ізурахуваннямбольцманівськогорозподілу ансамблюмагнітнихмоментів поенергетичнихрівняхприймаєвигляд:

Це йєрівнянняВан-Флека –основне вмагнетохімії,пов’язуючемагнітнівластивості ізбудовою молекул. Тут NA – числоАвогадро,k –постійнаБольцмана. Здеякимикрайнімивипадками його ми ужезустрічалисявище.Якщо Є(0) = 0, а Є(2) можназнехтувати, то миодержуємо до законуКюрі, але й в болеестрогійформі:

Очевидно, що законКюрівідображає так звань сутоспіновий магнетизм,характерний длябільшостіпарамагнітнихз’єднань,наприклад, солейміді,заліза,нікелю йіншихперехіднихметалів.

>Різнітипимагнітнихматеріаліввідрізняються один від одногозначеннями тазалежністю відтемператури танапруги поля (табл. ).

>ТаблицяОсновнікласимагнітнихречовин

>Властивість

Знак

Величина

>Залежність відмагнітного поля

>Значеннятиповихпредставників при 25 °С

>Діамагнетизм

106–10–5

>Немає

–0,72·10–6 (вода) –14·10–6

>Парамагнетизм +

10–6–10–2

>Немає

–0,15·10–6 (>кисень) 14·10–6 (вольфрам)

>Феромагнетизм +

102–104

До 650 (>залізо) До 8000 (>Sm>1–x>PrxCo5)

>Антиферомагнетизм +

10–4–10–2

До 10–2 (>MnO)

>Феримагнетизм +

101–103

До 60 (>BaFeO4)

>Якщомагнітнімоментиатомівречовинирівні нулю, торечовинадіамагнітна.

Увипадку,якщомагнітнімоментиатомів нерівні нулю, торечовинаможе бутипарамагнітною чиферомагнітною взалежності від характеристикатомів, щовходять у складречовини:

а)якщовзаємодіяміжмагнітними моментамиатомів мала, торечовинапарамагнітна;

б)якщомагнітнімоментиатомів сильновзаємодіють один із одним, так щоутворюютьсяобласті (>домени), в якімагнітнімоментиатоміворієнтовані паралельно один до одного,речовинаферомагнітна;

в)якщо нацихділянкахмагнітнімоментирозміщуютьсяантипаралельно, торечовинаантиферомагнітна;

р)магнітнімоментиатоміврозміщеніантипаралельно, але й нерівні завеличиною, торечовинивідносяться доферитів.

>Області вкристаліферомагнітноїречовини, деспіниелектроніворієнтовані паралельно,називаютьсядоменами (>розмір домен 1мікрон). Упроміжкахміждоменами будуть ділянки, в якіспінипостійнозмінюються –ці ділянкиназиваютьсястінками Блоха.Якщоферомагніт незнаходиться взовнішньомумагнітномуполі, тоорієнтаціяспінів удоменах якщорізною й вціломукристал не якщо матірмагнітного моменту.

>Залежністьмагнітноїсприйнятливостірізнихречовин відтемператури.Магнітнасприйнятливістьрізнихтипівмагнітнихматеріаліввідрізняєтьсятемпературноюзалежністю, атакожсвоїмиабсолютнимизначеннями. Дляпарамагнітнихречовинвиконується законКюрі, згідно ізякиммагнітнасприйнятливістьоберненопропорційнатемпературі (малий. ).

Малий. .Залежністьмагнітноїпроникностіпарамагнітнихречовин відтемператури

Дляферо- йантиферомагнітнихречовинтемпературна залежність незадовільняє законамКюрі йКюрі-Вейса.

>Феромагнітніматеріалимаютьдужевеликумагнітнусприйнятливість принизьких температурах, Яка в мірузростаннятемпературирізкозменшується (малий. ).

>Вищедеякоїтемператури Тзматеріалвтрачаєферомагнітнівластивості йперетворюється впарамагнетик, дляякогосправедливий законКюрі-Вейса.

>Магнітнасприйнятливістьантиферомагнетиків із зростаннямтемператури зростанні (малий. ), апотімспадає як уферомагнетиків. Температура, приякіймагнітнасприйнятливістьприймаємаксимальнезначення,називаєтьсятемпературоюНеєля (ТN),вищецієїтемпературиматеріалперетворюється впарамагнетик.

>Додатнізначеннямагнітноїсприйнятливостіпарамагнітнихматеріалівпояснюються тім, що вречовинієнеспареніелектрони,спіни які уречовини вмагнітномуполіорієнтуються в напрямі цого поля.

Убудь-якихматеріалахрісттемператури приводити до збільшеннятепловоїенергіїіонів йелектронів. Тому ізпідвищеннямтемпературиіснує, як правило,тенденція до збільшення структурногорозупорядкування. Упарамагнітнихматеріалахтепловаенергіяелектронів йіонівсприяєчастковійдекомпенсаціївпорядкуваннямагнітнихмоментіватомів, якувиникає поддієюзовнішньогомагнітного поля. Тому впарамагнітнихматеріалахмагнітнасприйнятливість із зростаннямтемпературизменшується.

Уферо- йантиферомагнітнихматеріалахвпливтемпературизводиться до збільшеннярозупорядкування відеальновпорядкованомупаралельному чиантипаралельномурозміщеннюспінів. Увипадкуферомагнітнихматеріалівце Веде допорушеннявпорядкованостіпаралельноїорієнтації із зростаннямтемператури. Уантиферомагнітнихматеріалахце приводити дозменшеннястепеніантипаралельноговпорядкування,тобто до збільшення числарозупорядкованихспінів.

>Магнітнівластивостіелектронів, ядер,атомів. Природадіа-, пара- йферомагнетизмуобумовлюєтьсямагнітнимивластивостямичасток, щовходять у складцихречовин.Розглянемо модельодноелектронного атома (малий. ).

Малий. Модельодноелектронного атома

>Електрон насвоїйорбіталі можнарозглядати якдеякийелементарнийелектричнийструм ізвідповідним зарядом йчастотою: І = –е · n, де е – заряделектрона; n – частота рухуелектрона.Магнітний момент,якийвиникаєнавколо цогоструму,рівний: =0 · І · P.S, де І – силаструму;0 –магнітнапроникність вакууму, чимагнітнапостійна =410–7Гн/м; P.S –площаорбіти, поякійрухаєтьсяелектрон.Тоді можназаписати

= –>0>еnS (1)

P.S =r2                                                                                            (2)

n = (3)

>Значення (2) й (3)підставляємо в формулу (1):

= –>0>еr2 = –>0>еv=0>еvr

 –це величинамагнітного моментуструму,якийстворюється рухом одногоелектрона поорбіті.Вонавідповідаємагнітному моменту атома,якийвиникає зарахунокорбітального рухуелектрона, тому = ( –орбітальнеквантове число).Цей ж рухелектрона поорбіталістворюємеханічний моменткількості руху =mnr.Справедливе ставлення

.

> –називаютьмагнітомеханічним чигіромагнітнимспіввідношенням.Тоді

=

>Згідноквантовоїмеханікимеханічний моменткількості рухуелектронаквантується за правилом:


, =0,1,2,...,n–1. Отже

= =

Розмірскладається іздобуткупостійних величин йназиваєтьсямагнетоном Бору:

МБ = ; = –МБ

Знак ”–”показує, що напрямиорбітального ймеханічного моментупротилежнонаправлені.

>Електрон ватоміприймає доля в двохрухаходночасно:навколо ядра йнавколовласноїосі. Рухнавколовласноїосіназиваєтьсяспіновим, йвласниймеханічний моменткількостіспінового руху (>спіна)виражаєтьсяформулою:

РP.S =

деs –спіновеквантове число дляелектронарівна .

Дляспіновогомагнітного моментугіромагнітнеспіввідношення>sвизначається:

 >>s =>s>P>s ;>s = –; = 2МБ;>s = –.

>Тодімагнітний момент,якийзв’язаний ізспіновим рухомелектронарівний


>>s = –2МБ

>Ядерниймагнітний момент. Ядро атомаявляє собоюдодатньозарядженеутворення, якускладається ізпротонів йнейтронів. Укожномуядріzпротонів, деz –порядковий номерелемента йА–Z – числонейтронів, де А –масове числоелементу. Ядро, якускладається із Ануклонів,також якщо матірвласниймеханічний ймагнітний момент.Всііснуючі ядраатомівділяться начотиритипи взалежності відкількостінейтронів йпротонів у яких.

>ТаблицяТипи ядератомів

Z >A–Z >Квантове числоспіна ядра, І
хлопця хлопця 0
хлопця >непарне 1/2, 3/2, 5/2
>непарне хлопця 1/2, 3/2, 5/2
>непарне >непарне 0; 1; 2; 3

>Всі ядрапарно-парного типумаютьвласниймеханічний ймагнітниймоментирівні нулю, таких ядер 56. Ядра, ізнапівцілимспіном,маютьвласниймеханічний момент йвідповідномагнітний момент нерівний нулю –цепарно-непарні йнепарно-парні ядра.

>Якщо ядрамаютьцілийспін (>непарно-непарні), то їхньоговластивостівизначаютьсяелектричнимквадрупольним моментом, таких ядерелементів 5.

Для ядер ізнапівцілимспіноммагнітнтй момент ядравиражається:

>отрута =отрутаРотрута

>Причому Ротрута =

де І –ядернеквантове число.

>Ядернегіромагнітне ставлення:

>отрута =

деm>p –масапротону.отрутамаєдодатнєзначення,бо заряд ядрадодатній.Тоді

>отрута =

>Множник

>називаєтьсяядерниммагнетоном йпозначається Мотрута.Тоді

>отрута = Мотрута

>Дійснийядерний моментбільший ніжвирахуваний заформулою надеяку величинуq й тому

>отрута =qМотрута

деq –ядерний чинник,більший за 1.

>Якщоє атом,якийскладається із ядра йдекількохелектронів, то можнавизначитимагнітний ймеханічниймоменти атома,якщопросумуватимагнітнімоментиелектронів й ядра.Сумуваннямеханічних ймагнітнихмоментівслідпроводити ізврахуванням такихособливостей:

1)сумуванняпотрібнопроводитивекторне;

2)потрібновраховувати, щовектори, котрісумуються,ще йквантуються,тобтоможуть бутиорієнтовані впросторілишепевним чином.

>Векторнесумування за такзванійсхемі (>L–S)зв’язку, котра справедлива,якщовзаємодіяміжелектронамисильніша, ніжспін-орбітальнавзаємодія шкірногоелектрону.Сумування проводитися засхемою

; ;J =

де –повний моменткількості рухуелектронноїоболонки. Черезквантовівластивостівекторів, щосумуються,квантові числа, щовизначаютьзначеннясумарного вектора,можутьприйматитакізначення:

>J = L + P.S, L + P.S –1L – P.S.

>Тодіповниймагнітний момент атома якщовизначатися так:

>j =j ·Pj ;

>P.S + L = –повниймагнітний момент;

 –повниймеханічний момент.

>Теоріядіамагнетизму.Діамагнітніречовини немаютьдіамагнетизмувласнихмагнітнихмоментів.Магнітний той час у нихвиникає лише увипадкурозміщення їхні взовнішньомумагнітномуполі.

Длявивченняприродидіамагнетизмурозглянемо модель атома, уякого покруговійобіталірадіусомrрухаєтьсяелектрон (малий. ) ізлінійноюшвидкістю n, котра спрямована подотичній доорбіталі, й атомпоміщено взовнішнємагнітне полі; вектормагнітноїіндукції цого поля У0 напрямів перпендикулярно доплощиниорбіти.

Наелектрон у цьомувипадкудіютьдвісили:центробіжна й силаЛоренца, котрінаправлені в одному напрямі:

F>цб =

де n0 –лінійнашвидкістьелектрона привідсутностімагнітного поля.Лінійнашвидкістьзв’язана ізкутовоюшвидкістю:

де w0 –кутовашвидкістьелектрона привідсутності поля.

n0 = w0>r; F>цб = =mr ; Fл =; Fл =еw0>rB0.

>Тоді сила, щодіє наелектрон,рівнасуміцих двох сил.

F = F>цб + Fл =mw2>r;mw2>r =mr +ew0>rB0;mw2>r –mr =ew0>rB0;

>mr(w2 – ) =ew0>rB0;mr(w – w0) (w + w0) =ew0>rB0;

w + w0 =2w0; w – w0 = wL;mr2w0wL =ew0>rB0;

                                                                             (4)

wL – змінукутовоїшвидкості рухуелектрона поддієюзовнішньогомагнітного поляназиваєтьсяЛармоловоюкутовоючастотою.Така змінукутовоїчастоти якщовизначатись приумові, щозовнішнємагнітне полі спрямоване сувороперпаендикулярно доплощиниорбіти, поякійрухаєтьсяелектрон.Якщо полі звідношенню доорбітиелектрона спрямованедовільно, тоатомівиникаєявищепрецесії.Піддієюзовнішньогомагнітного поляорбітапочинає ”>покачуватись”, а вектор Р якщоописуватинавколо напрямі У конус. Кутовашвидкістьобертання вектора моментукількості рухунавколо напрямі поля якщорівнаЛармоловійчастоті wL. Аоскількибудь-який рухзарядженоїчасткиє не щоінше якелектричнийструм, то "зарахунокпрецесіїорбітиелектронавиникаємагнітний момент,зв’язаний ізцимструмом:

>DІ = –>еnL; nL =

>DІ = –e (5)

>Підставимо в (5)значення wL з (4):

>DІ = –

деm –масаелектрону;

е – заряделектрону;

У0 – вектормагнітноїіндукціїзовнішнього поля.

Зарахунок цогоелементарногоструму Івиникаєдодатковиймагнітний момент рухуD.

>D =0>DIS;D = –; P.S = ,

P.S –площа кола, якуописується под годинупрецесії.

>D = –· = –

>D –цемагнітний момент,якийвиникає удіамагшнітного атома,якийрозміщений узовнішньомумагнітномуполі,якщовінмає одинелектрон.

>Якщо ватоміzелектронів йсереднявіддальцихелектронів від ядрарівна аі, то квадратсередньоївіддаліzелектронівдорівнюєzaі2, тоді

>D = –,

аоб’єміречовиниє nатомів, то

>D = –.

>Магнітнасприйнятливість:

тодімагнітнасприйнятливістьдіамагнітноїречовини

з = –

здіамагнітноїречовиниє величина стала, незалежить віднапругизовнішнього поля йтемператури ймаєвід’ємнезначення.

>Парамагнетизм. Навідміну віддіамагнетиків,парамагнетикимаютьвідмінний від нулямагнітний моментнавіть привідсутності поля. Упарамагнітнихречовинахмагнітнімоменти окремихатомів, щомаютьнеспареніелектрони,орієнтованідовільно.Їхвпорядкування проходитилише поддієюзовнішньогомагнітного поля.Енергіявзаємодіїміжмагнітним моментом атома ймагнітним полемможе бутирозрахована заформулою

U = –>Hcos

деq – кутміжнапрямкоммагнітного моменту йнапрямком поля.Цяенергія якщомінімальною, колиq = 0, щоозначаєнамаганнямагнітнихмоментіватоміврозміститися паралельносиловимлініям поля. Такомувпорядкованомурозміщеннюмагнітнихмоментів атомазаважаєхаотичнийтепловий рух. Таким чином, завданняпобудовитеоріїзводиться доти,щоб,враховуючируйнівнудію теплового рухувизначитисереднєзначенняпроекціїмагнітного моментуатомів нанапрямокзовнішнього поля.Самеціпроекції будутьвизначатинаявністьвідмінного від нулямагнітного моментуодиниціоб’ємуречовини.

>Побудоватеоріїпарамагнетизмузв’язана зстатистичними методамирозрахунків йзводиться довизначенняімовірності того, що приданійтемпературі йданому напрямізовнішньогомагнітного поляфіксованиймагнітний момент атомарозміститься вдеякомутілесномукутіdq повідношенню до напрямі поля, деq – кутміжвласниммагнітним моментом атома йзовнішніммагнітним полем.Кінцевий результатрозрахункумагнітноїсприйнятливості дляпарамагнітноїречовинимаєвигляд

з = –

де n – числоатомівречовини водиниціоб’єму;

> –магнітний моментодиниціоб’єму;

>0 –магнітна стала;

>k – сталаБольцмана;

Т – температура, До.

як видно ізформули ззалежить відтемператури.

При температурахблизьких нанівець,моментиатомівпарамагнетиківвстановлюються паралельномагнітному полю, й вречовинівиникаємаксимальниймагнітний момент. Допарамагнетиків належатиатоми чиіони ізнезамкнутоюзовнішньоюоболонкою.Особливочіткопарамагнітнівластивостіпроявляються уперехіднихметалівTiCu,ZrAg,HgAu,рідкоземельнихелементах.

>Лишедуженезначнакількість молекул, щомістять хлопця числоелектронів,парамагнітні. Це,наприклад,кисень йсірка.Парамагнітнітакожсполуки:

No, No2,ClO2, R2>O4

Ос-кількичисельна величинапарамагнітного моментупоказує, стількиелектронів узовнішнійоболонцімолекулимаютьпаралельніспіни, ясно, щовимірюваннямагнітноїсприйнятливостідужеважливе прививченніприродихімічногозв’язку йбудовиелектронноїоболонки.Особливовеликезначенняцемає прививченніпарамагнітнихвільнихрадикалів ворганічнійхімії.

>Теоріяферомагнетизму. Уферо- йантиферомагнітнихречовинвпорядкуванняорієнтаціїмагнітнихдиполів проходитисамовільно.Такевпорядкування виннехарактеризуватисядеякоюдодатньоюенергієювзаємодіїсусідніхспінів, котрівпорядковуються чи паралельно чиантипаралельно.Феромагнітніматеріалимаютьдоменну структуруаналогічнудоменнійструктурісегнетоелектриків.Всередині шкірного домену усіспіниорієнтовані паралельно, але йрізнідоменимаютьрізнуорієнтаціюспінів.Піддієюзовнішньогомагнітного поля уферомагнітнихречовинахвиникаєявищегістерезису.Кривазалежностімагнітноїіндукції віднапруги полямаєвигляд (малий. ):


Малий. Зашморггістерезису уферомагнітнихречовин

>Особливийкласмагнітнихматеріалівутворюютьречовини, у якімагнітнапроникність усотні йтисячіразівперевищуємагнітнупроникністьзвичайнихматеріалів.Ціречовини здобулиназвуферомагнетиків.Іншоювідмінноюрисоюферомагнетиківє ті, щоїхнянамагнічуваністьнелінійнозалежить віднапругизовнішньогомагнітного поля,причому привисокихнапругах поля вонинастає станмагнітногонасичення.

>Феромагнетикаминазиваютьречовини (>тверді), щоможуть матірспонтаннунамагніченість,тобто смердотінамагнічені й привідсутностізовнішньогомагнітного поля.Піддієюзовнішньогомагнітного поля,створеногострумом укотушці,накладеної насталевиймагнітопровід,відбувається процесорієнтаціїдоменів умагнітопроводі йзсувїхніхграниць. Це приводити донамагнічуваннясталевогомагнітопроводу,причомунамагніченістьзбільшуєтьсязізбільшеннямзовнішньогомагнітного поля.

>Намагніченість Мферомагнітногоматеріалу зростанні лише до межовогозначення, названогонамагніченістюнасиченняМs.Залежністьнамагніченості М віднапруженості поляМ(Н) показано на малий.штриховоюлінією. На цьому жмалюнку показанолінійна залежність У0М та кривапервісногонамагнічуванняВ(Н).КривуВ(Н) можнарозділити начотири ділянки:

1)майжелінійнаділянка0а, щовідповідаємалимнапруженостям поля,показує, щомагнітнаіндукціязбільшуєтьсявідносноповільно ймайжепропорційнонапруженості поля;

2)майжелінійнаділянкааб, наякіймагнітнаіндукція У зростаннітакожмайжепропорційнонапруже Малий. .Залежністьнамагніченості поля, але йзначношвидше,ності віднапруженості ніж напочатковійділянці;поля

3)ділянкабв –колінокривоїнамагнічування, щохарактеризуєуповільнення зростаннюіндукції У;

4)ділянкамагнітногонасичення –ділянка,розташованавище точки в; тут залежністьзновулінійна, але йрістіндукції Удуже сильноуповільнений упорівнянні із іншим.

>Магнітнаіндукція, щовідповідаєнамагніченостінасичення,називаєтьсяіндукцієюнасичення У>s.

>Повний циклперемагнічуванняферомагнітнихматеріалівописуєтьсяпетлеюгістерезису (малий. ):магнітнаіндукціязбільшується покривійпочатковогонамагнічування (>0а) йдосягаєвідповідного максимальногозначення Уа.Якщопотімструм йнапруженість полязменшуються, то ймагнітнаіндукціязменшується. Привідповіднихзначенняхнапруженостімагнітнаіндукціятрохи більше, ніж призбільшеннінапруженості.Кривазмінимагнітноїіндукції (>ділянкааб на малий. )розташовуєтьсявищекривоїпочатковогонамагнічування. Принульовихзначенняхструму йнапруженості полямагнітнаіндукціямаєдеякезначення У>r,названезалишковоюіндукцією.

Таким чином,магнітнаіндукція уферомагнітномуматеріалізалежить не лише віднапруженості поля, але й й відпопереднього стануферомагнетика. Цеявищеназиваєтьсягістерезисом.Воно обумовлене абивнутрішнімтертям, щовиникає призмініорієнтаціїмагнітнихмоментівдоменів.

Призмініструму, щонамагнічує, а,отже, й напрямінапруженості поля йпоступовомузбільшенніструмузворотного напрямінапруженості полядосягаєзначення Мз, названогокоерцитивною силою (>відрізок0в), приякомумагнітнаіндукці У = 0. Приподальшомузбільшенніструму йнапруженості полямагнітопровіднамагнічується впротилежному напрямі й принапруженості поля М>r = – Haмагнітнаіндукціядосягаєзначення У>r = – Уa.Потім призменшенніструму йнапруженості поля нанівецьмагнітнаіндукція Убудстаєрівною –Уб.Нарешті, принаступнійзмініструму йнапруженості поля й збільшенняїї доколишньогозначення Мамагнітнаіндукціязбільшитьсятакож доколишньогозначення Уa.Розглянутий циклперемагнічуванняферомагнетика покривійабвгдеаназиваєтьсягістерезисним циклом (>петлеюгістерезису).

>Під годинувідсутностізовнішньогомагнітного полямагнітнімоментидоменіворієнтовані впросторі так, щорезультуючиймагнітний моментрозмагніченогозразкадорівнює нулю.

Учому причинагістерезису? Виглядкривих –розходженняміж ходомнаростаннянамагнічуванняферомагнетика призбільшенні поля М й ходом йогорозмагнічування призменшенні М,показує, що призмінінамагнічуванняферомагнетика,тобто при збільшення чизменшеннінапруженостізовнішнього поляорієнтація йдезорієнтаціяелементарнихмагнітів невідразувстигає за полем, авідбувається ізпевнимвідставанням.Докладневивченняпроцесівнамагнічування йрозмагнічуваннязаліза ііншихферомагнітнихречовин показало, щоферомагнітнівластивостіречовинивизначаються немагнітнимивластивостями окремихатомів чи молекул, що сам пособіпарамагнітні, анамагнічуванняцілих областей,названихдоменами, невеликихділянокречовини, щомістятьдужевеликукількістьатомів.

>Взаємодіямагнітнихмоментів окремихатомівферомагнетика приводити доствореннянадзвичайносильнихвнутрішніхмагнітнихполів, щодіють умежахкожноїтакоїобласті. Умежахцієїобласті усіатомнімагнітикипаралельні один одному. Таким чином,навіть привідсутностізовнішнього поляферомагнітнаречовинаскладається із ряду окремих областей,кожна із якімимовільнонамагнічена донасичення. Алінапрямокнамагнічування длярізнихпо-різному, так щовнаслідокхаотичностірозподілуцих областейтіло вціломувиявляється увідсутностізовнішнього поля ненамагніченим.

>Підвпливомзовнішнього полявідбуваєтьсяперебудова йперегрупування таких ”областеймимовільногонамагнічування”, урезультатіякоїодержуютьперевагу тихобласті,намагнічування які паралельнозовнішньому полю, йречовина вціломувиявляєтьсянамагніченим.

Принакладенні поля Мчастинаатомівобласті У, уякійнамагнічуванняперпендикулярне до поля, награниціїї ізобластю Уякійнамагнічуваннярівнобіжне полю,повертається так, щонапрямокїхньогомагнітного моментустаєрівнобіжним полю. Урезультаті область А.намагнічена паралельнозовнішньому полю,розширюється зарахунок тихий областей, у якінапрямокнамагнічуванняутворитьвеликі гуляй ізнапрямком поля, йвиникаєпереважненамагнічуваннятіла по напрямізовнішнього поля. Удужесильнихзовнішніх поляхможливі й поверни напряміорієнтації всіхатомів умежахцілоїобласті.

Признятті (>зменшенні)зовнішнього полявідбуваєтьсязворотній процесрозпаду йдезорієнтаціяцих областей,тобторозмагнічуваннятіла. Черезвеликі впорівнянні із атомамирозміри ”областеймивовільногонамагнічування” як процеснамагнічування їхнього, то йзворотний процесдезорієнтаціївідбувається ізнабагато великимиутрудненнями, ніжвстановленняорієнтаціїдезорієнтації окремих молекул чиатомів, щомаємісце впарамагнітних йдіамагнітнихтілах.Цим йпояснюєтьсянамагнічування йрозмагнічуванняферомагнетиків відзмінизовнішнього поля,тобтогістерезисферомагнітнихтіл.

>Матеріали ізнизьким М>kназиваютьсямагніто-м’якими, смердотіхарактеризуютьсямалимизначеннямимагнітноїпроникності. М>k –ценапругаоберненогомагнітного поля, якунеобхідноприкласти доречовини,щобдосягтиповногорозмагніченняматеріалу.Магніто-жорсткимиматеріаламиназиваютьсяматеріали ізвисокимкоеруцитивним полем й великоюзалишковоюнамагнічуваністю.Їхвикористовують вроліпостійнихмагнітів. Укристалахферомагнітнихматеріаліврезультуючиймагнітний моментрозміщуєтьсявздовждеякихпевнихнапрямків. Узаліза,наприклад,такі напрямиєпаралельними осяхелементарноїкоміркикубічноїгратки.Їхназивають осями легкогонамагнічування.

Прививченнімагнітнихявищ вречовинах, особливо уферомагнетиках, булипоставленіексперименти повстановленнюзв’язкуміжмеханічним ймагнітним моментомречовини.

>ДослідЕйнштейна й деГааза. Довгийзалізний стриженьпідвішували натонкійнитці,поміщали на полісоленоїда, черезякий дляствореннямагнітного поля пропускалиструм. Привиникненнімагнітного поля стриженьнамагнічувався йобертався нанитці. При цьому можнафіксувати кут повороту стрижня.Змінюючинапрямструму всоленоїді,змінювавсянапрямкута повороту напротилежний.Такий поворот стрижня вмагнітномуполіпоказує набезпосереднійзв’язокміжмеханічним ймагнітним моментомречовини.Цейзв’язоквиражаєтьсягіромагнітнимспіввідношенням

>: =.

дляелектронів, щорухаються поорбіталям,маєвираз:

 = –

дляелектронів зарахунокспінового руху:

>>s = –

>Теорія Вейса.Подальшатеоріяферомагнетизмузв’язана ізіменем Вейса.Ідея Вейсаполягає до того, що вферомагнетикахєдеякевнутрішнємагнітне полі, величинаякогоприблизнорівнаспіновійнамагнічуваності.Феромагнітнимивиявляютьсяатомиперехіднихметалів.Спільним дляцихатомівє ті, що смердотімаютьнедобудованівнутрішніd- іf-електронніоболонки.Валентніелектрони атомаметалуусуспілюнюються вкристалічнійрешітці,утворюючи так званьелектронний газ. Заферомагнетизмповинні бутивідповідальні невалентніелектрони, котріздійснюютьзв’язокміжіонами врешітці, а тих, щовходять унедобудованіd- іf-електронніоболонки. Утеорії Вейса показано, що природа сил, щоприводять довпорядкованогорозміщенняспінівцихелектронів носитиелектростатичний характер, йподібні засвоїми характеристиками до силхімічнихзв’язків. ФормулаГейтлера-Лондона дляутвореннямолекули М2:

ЄP.S = ; EA = ,

K –кулонівськийінтеграл,описуєенергіювзаємодіїелектронів зсвоїми ядрами;

А –обміннийінтеграл,описуєвзаємодію шкірногоелектрона ізобома ядрами,тобто рух шкірногоелектронанавколообох ядер;

P.S –інтегралперекривання,якийпоказуєстепіньперекриванняелектроннихоболонокатомів.

K – впершомунаближенніхарактеризуєенергіюізольованихатомівводню, аобміннийінтеграл А –енергіюхімічногозв’язкуміж атомами. Заабсолютноювеличиною |K| < |A|.

УвипадкусиметричноїфункціїP.S (>електрони вмолекулімаютьантипаралельніспіни), знакобмінногоінтегралувідповідаєпритягуваннюатомів йутвореннюмолекули. Увипадку жантисиметричноїхвильовоїфункціїА (>тобто припаралельнихспінахелектронівобохатомів) знакоб’ємногоінтегралавідповідаєвідсутностіхімічногозв’язкуміж атомамиводню.

>Аналогічнуінтерпретацію можна перенести й дляпоясненняферомагнетизму.Якщоспінивзаємодіючихелектронівантипаралельні, тообміннийінтеграл A < 0 йенергіявзаємодії такихелектронівзнижується йвиникаєстабільнеутворення. Цевипадоквиникненняантиферомагнетизму;якщоспінивзаємодіючихелектронівпаралельні, то A >

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Нові надходження

Замовлення реферату

Реклама

Навігація