Вище вже зазначалося, що всі речовини є Магнетика. У природі спостерігається дуже велике їх різноманітність, тому виникає необхідність їх детального класифікації.
Класифікацію магнетиков, або, точніше, різних магнітних станів речовин, можна зробити двома способами. По-перше, чисто феноменологічна, використовуючи яку-небудь макроскопічну характеристику магнетика (наприклад, сприйнятливість). За її величиною або по спостережуваних залежностей її від різних фізичних факторів і проводиться класифікація, незалежно від з'ясування фізичної природи атомних носіїв магнетизму і тих взаємодій між ними, які визначають тип магнітного стану. Другий спосіб - фізичної класифікації заснований на якомога повнішому обліку фізичних факторів і в першу чергу природи атомних носіїв магнетизму і характеру взаємодії між ними.
Найпростіший спосіб феноменологічної класифікації магнетиков виходячи з знака і величини магнітної сприйнятливості χ був уже використаний в гл. 4. Згадувалися три основних типи магнетиков:
- 1) Діамагнетик (χ <0)
- 2) парамагнетики (χ> 0)
- 3) ферромагнетики (χ> 0 і дуже велика за величиною).
Ця формальна класифікація магнетиков стала традиційною. Однак завдяки накопиченню великого досвідченого матеріалу, а також розвитку атомної теорії магнетизму стали очевидними недоліки подібної класифікації, оскільки при такому підході ігнорується природа микроносителей магнетизму і не враховується характер взаємодії між ними. Так, наприклад, з цієї класифікації випадають такі важливі типи магнітних станів, як антиферомагнітне, феррімагнітном, надпровідний і т.д.
§ 2. Фізична класифікація
При спробі глибшої фізичної класифікації магнітних станів речовини необхідно перш за все з'ясувати два основних питання:
- 1) яка природа атомних носіїв магнітного моменту?
- 2) який характер впливу зовнішніх впливів на ці носії, а також внутрішніх взаємодій між ними?
1. Природа атомних носіїв магнетизму. Вище вже зазначалося, що атомними носіями магнетизму в речовинах є елементарні частинки - електрони і нуклони (протони і нейтрони), з яких побудовані атоми цих речовин. При цьому магнітні властивості нуклонів визначають магнетизм атомних ядер (див. Гл. 3) і ядерний магнетизм в речовинах. Магнітні властивості електрона визначають магнетизм електронної оболонки атома (див. Гл.2) і тим самим електронний магнетизм речовин. Магнетизм ядра значно слабкіше магнетизму електронної оболонки. Це наочно видно з порівняння елементарних моментів цих двох типів магнетизму - магнетона Бора μБ і ядерного магнетона μяд = μБ / 1836,5. Як ми вже бачили (гл. 2 і 3), в обох випадках - електронного та ядерного магнетизму - слід розрізняти орбітальний і спіновий магнетизм.
2. Основні афекти зовнішнього поля - діа - і парамагнетизм. Перейдемо тепер до розгляду другого з поставлених вище питань - про вплив зовнішнього магнітного поля і внутрішніх взаємодій між окремими атомними носіями магнетизму в речовині на його магнітні властивості. Перш за все з'ясуємо основні ефекти, пов'язані з дією зовнішнього магнітного поля на магнітні моменти атомних носіїв. Тут можна вказати два таких ефекту (див. Гл. 2) - діамагнітний і парамагнітний. Діамагнітний ефект є результатом індукційного впливу зовнішнього магнітного поля на молекулярні струми. Завдяки ларморовской прецесії електронних орбіт в полі, в кожному атомі виникає додатковий магнітний момент, направлений проти створює його зовнішнього поля, що і визначає негативний знак діамагнітної сприйнятливості. Діамагнетизм притаманний усім атомам, іонів і молекул (як електронним оболонок, так і їх ядер), а також і їх колективам - конденсованими тіл - рідин і кристалів. Тому всі тіла - Діамагнетик, хоча їх диамагнетизм дуже часто маскується, перекриваючи сильнішим позитивним парамагнітним ефектом з боку зовнішнього магнітного поля і за рахунок внутрішніх взаємодії. Як буде детально показано нижче за допомогою фізичного аналізу атомної структури речовин, в яких спостерігається диамагнетизм, атомні носії магнетизму (атоми, іони, молекули, молекулярні комплекси і т. П.) Виявляються магнітно нейтральними, тобто в них спостерігається повна компенсація спінових і орбітальних магнітних моментів електронів в атомній оболонці і нуклонів в атомних ядрах.
У тих випадках, коли атомні освіти, з яких побудовано дана речовина, володіють власними результуючими магнітними моментами - спінові, орбітальними або і тими і іншими, ці моменти відчувають ориентирующее дію зовнішнього магнітного поля, завдяки якому в тілі створюється паралельна полю намагніченість, що і є причиною появи позитивної парамагнитной сприйнятливості (зрозуміло, в тих випадках, коли цей ефект перевищує негативний діамагнітний ефект).
У найпростішому випадку діа - і парамагнетизм можна спостерігати в розріджених газах. Там практично можна знехтувати взаємодією між атомними носіями магнетизму. Оскільки діамагнітний ефект пов'язаний з внутрішніми рухами електронів у оболонці або нуклонів в ядрах атомів (прецесія електронних і нуклонних орбіт), вплив теплового руху (зіткнення між атомами), поки воно не дуже сильно деформує орбіти (не відбувається порушення електронної оболонки), буде вельми незначним , і діамагнітная сприйнятливість, як правило, практично не буде залежати від температури. Навпаки, орієнтація атомних магнітних моментів в парамагнетика (встановлення атомного магнітного порядку вздовж зовнішнього що намагнічує поле) буде руйнуватися хаотичним тепловим рухом, що і буде проявлятися, як правило, в різкій залежності парамагнітної сприйнятливості від температури [1] виноска .
Таким чином, у всіх зазначених типах магнетизму (ядерному, електронному, спиновом і орбітальному) ми повинні рахуватися як з можливістю співіснування двох основних магнітних явищ, що виникають під дією зовнішнього магнітного поля, - діамагнетизму і парамагнетизм, так і з дезорієнтує дією теплового руху. У разі систем, де можна знехтувати взаємодією між атомними носіями магнетизму, завдання зводиться до розрахунку двох зазначених конкуруючих ефектів при різних значеннях зовнішнього магнітного поля і температури. При розрахунку різних термодинамічних величин, пов'язаних з магнітними властивостями речовин, необхідно брати до уваги як квантову природу самих носіїв магнетизму, так і квантову статистику.
3. Вплив внутрішніх взаємодій на магнітні властивості. Займемося тепер з'ясуванням впливу взаємодії між елементарними носіями магнетизму на магнітні властивості речовини. Можливість істотного впливу цих взаємодій на магнітні властивості можна угледіти вже з порівняння магнітних властивостей ізольованих атомів різних елементів таблиці Менделєєва. Як вже зазначалося (гл. 2 і 3), переходячи від елемента до елементу в періодичній таблиці, можна спостерігати найрізноманітніші магнітні властивості як в електронних оболонках, так і в ядрах атомів. Істотна залежність магнітних властивостей речовини від характеру взаємодії між атомними носіями магнетизму може призводити до того, що в одному і тому ж хімічному речовині при незмінності його складу, але при різних зовнішніх умовах (температура, тиск, зовнішнє магнітне поле і т. П.), а також при різній кристалічній і фазової структурі (ступінь упорядкування атомів в сплавах, фазові перетворення і т. п.) можуть спостерігатися різні магнітні властивості. Саме тому, мабуть, більш правильно говорити не про магнетиках як про якихось певних речовинах даного хімічного складу, в яких цей тип магнетизму існує при будь-яких умовах, а про тих чи інших магнітних станах речовини, які реалізуються в ньому лише при строго певних зовнішніх і внутрішніх умовах.
Внутрішнє взаємодія між атомними носіями магнетизму, яке істотно позначається на магнітних властивостях речовини, побудованого з цих частинок, кількісно найкраще охарактеризувати величиною енергії цієї взаємодії, розрахованої на окрему пару носіїв магнетизму: εвз. Однак сама по собі величина εвз ще нічого не говорить. Ця величина εвз набуває сенсу при порівнянні її з величинами енергій інших атомних взаємодій, які, з одного боку, можуть впливати на магнітні властивості і, з іншого боку, можуть залежати не тільки від властивостей даної речовини (тобто від утворюють його частинок) , але і від зовнішніх факторів, в першу чергу від величини зовнішнього магнітного поля H і від температури T. Як відомо, енергія атомного магнітного моменту (μБ в поле H дорівнює (по модулю) εH ≈ μБH, середня теплова енергія, яка припадає на атом, дорівнює ε ≈ kT. Зіставлення енергій εвз з εH і εT робиться особливо наочним, якщо, користуючись наведеними виразами для εH і εT, запровадити ефективний магнітне поле Hефф і ефективну критичну температуру Tкр, представивши енергію взаємодії в наступних двох формах:
ерг (6.1)
Користуючись (6.1), можна розділити шкалу температур і полів відповідно на два інтервали: 0 ° К ≤ Т ≤ Tкр і Т ≥ Tкр; 0 ≤ H і H> Hефф. Очевидно, що в областях H <Hефф або Т <Tкр будуть сильно проявлятися магнітні властивості речовини, обумовлені внутрішніми взаємодіями атомних носіїв магнетизму, що характеризується енергією εвз. Навпаки, в областях Т> Tкр або H> Hефф будуть домінувати зовнішні умови - температура або поле, що пригнічують ефекти внутрішньої взаємодії. У даному разі речовини, для яких виконані умови «низьких» температур або «слабких» полів (в порівнянні з Tкр і Hефф), можна назвати «сильномагнітних», а для яких виконані протилежні умови «високих» температур або «сильних» полів (по порівняно з Tкр і Нефф), «слабомагнітних». Іноді така класифікація може бути зручною, і її слід мати на увазі. Однак для повного з'ясування фізичної природи магнітних властивостей речовини необхідно знати не тільки величину енергії εвз в порівнянні з εH і εT, але також і її фізичне походження, а також враховувати характер магнітного моменту носіїв (орбітальний або спин). Якщо виключити з розгляду ядерний магнетизм, то в електронних оболонках атомів і молекул, а також в електронній системі конденсованих тіл діють два типи сил - електричні і магнітні. Як атомної заходи сил першого типу можна взяти енергію електростатичного взаємодії двох електронів, що знаходяться на відстанях порядку атомних розмірів α ~ 10-8 см. Згідно із законом Кулона ця енергія дорівнює
ерг (6.2)
Мірою магнітної взаємодії (див. Гл. 4) служить енергія зв'язок двох магнітних диполів з моментом μБ на відстані a:
ерг (6.3)
З порівняння (6.2) і (6.3) видно, що електростатична енергія на три або навіть чотири порядки перевищує величину магнітної енергії [2] виноска . Згідно (6.1) відповідні критичні температури і ефективні поля рівні
(6.4)
На перший погляд може здатися, що внутрішні магнітні властивості повинні визначатися виключно магнітним взаємодією між атомними носіями магнетизму, яке по (6.3) характеризується енергіями 10-15 - 10-17 ерг або відповідно по (6.4) критичними температурами 0,1 - 1 ° К і ефективними полями 103 - 105 е. Однак таке поспішне висновок виявляється неправильним. Можна відразу ж привести конкретні приклади магнітних станів, критичні температури і ефективні поля для яких значно перевищують зазначені вище значення (6.4). Для типових феромагнітних металів - заліза, кобальту та нікелю з досвіду відомо, що їх магнітні критичні температури (точки Кюрі, см. Гл. 18) дорівнюють відповідно тисячу сорок три ° К, 1 404 ° К і 636 ° К, тобто величинам на три, чотири і більше порядки вище, ніж це може забезпечити магнітне взаємодія. Єдиним поясненням цього розбіжності залишається припущення про те, що в цьому випадку магнітні властивості речовини визначаються електростатичною взаємодією між атомними носіями магнетизму. В рамках класичної фізики цей парадокс залишався нерозв'язним. Тільки після виникнення сучасної квантової теорії виявилося можливим розкрити цю загадку, оскільки квантова механіка пояснила залежність електростатичного енергії взаємодії електронів від взаємної орієнтації їх спінових моментів (див. Нижче гл. 19). Виявилося, що, крім квазікласичних (кулоновской) електростатичного енергії (6.2), існує за своїм походженням також електростатичний енергія, величина якої того ж порядку, що і кулоновская енергія (~ 10-13 ерг), але яка істотно залежить від взаємної орієнтації спінів електронів . Ця частина електростатичного енергії носить назву обмінної енергії εвз.об (докладніше див. Гл. 18 - 22).
У гл.2 ми вже згадували про цю енергії. Зокрема перше правило Хунда є прямим наслідком обмінної зв'язку між електронами в атомній оболонці [3] виноска .
4. Різні типи атомного магнітного порядку. Як буде показано нижче (гл. 18), суттєвою рисою обмінного електростатичного взаємодії є те, що під його впливом в речовині може виникнути впорядковане розподіл напрямків атомних магнітних моментів (атомний магнітний порядок). У деяких випадках обмінна взаємодія може сприяти паралельної орієнтації атомних моментів (феромагнітний порядок, див. Рис. 6.1, а), в інших - теж впорядкованого розподілу, але з антипараллельной орієнтацією магнітних моментів сусідніх атомних частинок в тілі. У цьому випадку хоча і з'являється впорядковане розподіл моментів, але результуючий момент в кожної елементарної магнітної осередку кристала (докладніше див. Гл. 18) дорівнює нулю (скомпенсований антиферомагнітний порядок, див. Рис. 6.1, б). Можливі також і такі випадки, коли при антиферомагнітному порядку атомних моментів з тих чи інших причин повна компенсація магнітного моменту в кожній елементарній комірці порушується і в тілі виникає результуючий різницевий мимовільний магнітний момент (нескомпенсований антиферомагнітний порядок, або феррімазнетізм, див. Рис. 6.1 в) . Реалізація того чи іншого типу обмінного взаємодії істотно залежить від конкретної електронної структури даної речовини. Як буде з'ясовано нижче (гл. 18 - 22), феромагнітних порядку сприяє позитивне обмінна взаємодія (εвз.об> 0), а антиферомагнітного (і феррімагнітном) - негативне (εвз.об <0).
5. Роль електронів зовнішніх і внутрішніх шарів атомної оболонки. У конденсованих середовищах з більш близьким розташуванням атомів їх електронні оболонки деформуються в порівнянні з оболонками ізольованих атомів або атомів в газах. Детально про це йтиметься нижче (див. Гл. 10, 41, 20), тут тільки відзначимо, що при конденсації найсильніше змінюють свій рух зовнішні, валентні електрони. В металах колишні валентні електрони утворюють систему колективізованих електронів провідності, в напівпровідниках і діелектриках ці електрони беруть участь в утворенні колективних валентних і інших локалізованих зв'язків. Електрони ж внутрішніх шарів атомної оболонки і в конденсованих фазах практично знаходяться в таких же станах, як і в ізольованих атомах. Тому, коли ми говоримо про електронні магнітних властивостях конденсованих речовин, слід розрізняти магнітні властивості системи колективізованих електронів в тілах різних класів (метали, напівпровідники, діелектрики і т.п.) і магнетизм іонних кістяків (тобто атомних ядер і внутрішніх практично неспотворених областей електронної оболонки окремих атомів в конденсованої фазі.)
§ 3. Основні типи магнітних станів речовини
Облік природи атомних носіїв магнетизму і характеру їх взаємодії дає можливість відразу ж уточнити класифікацію магнітних станів речовини, виділивши насамперед такі три головні групи магнітних станів:
- 1) Спіновий і орбітальний магнетизм систем слабовзаємодіючих атомів, іонів і молекул (магнетизм слабовзаємодіючих частинок).
- 2) Спіновий і орбітальний магнетизм колективізованих електронів в металах, напівпровідниках і діелектриках, а також неколлектівізірованних частин; електронної оболонки (іонних кістяків) в цих речовинах з урахуванням їх внутрікристалічних взаємодій (магнетизм електронно-іонної системи в конденсованих середовищах без атомної магнітної структури, тобто без атомного магнітного порядку).
- 3) Магнітні властивості речовин з атомним магнітним порядком, обумовленим обмінною взаємодією.
Крім того, до цих трьох типів електронного магнетизму речовини необхідно додати четвертий тип, пов'язаний з магнетизмом колективу атомних ядер в конденсованої фазі:
- 4) Ядерний магнетизм в речовинах. Хоча цей магнетизм і слабкий у порівнянні з електронним, але в ряді випадків він має істотне значення і може бути з великим ефектом використаний як засіб вивчення електронної структури твердих тіл.
§ 4. Детальна фізична класифікація магнітних станів речовини
Природно, що наведена фізична класифікація магнітних станів не може відобразити їх різноманіття. Можливі найхимерніші комбінації співіснування різних магнітних станів, внесок яких в сумарні спостережувані властивості складно залежить від різних зовнішніх і внутрішніх умов. Проте, якщо до наведеної класифікації ще додати наявність двох основних ефектів в зовнішніх магнітних полях - діа - і парамагнітного, то така класифікація в цілому буде відображати загальний характер магнітних властивостей всієї сукупності відомих речовин. Можливий варіант такої класифікації може бути, наприклад, таким.
I. Магнетизм слабовзаємодіючих частинок
А. Переважання діамагнетизму
а) «Класичні» діамагнітниє гази: все інертні гази, а також гази, атоми або молекули яких не мають власного результуючого магнітного моменту. Сприйнятливість їх негативна (χдм <0) дуже мала по абсолютній величині (10 -7 - 10 -5) і практично не залежить від температури.
б) Діамагнетизм іонних кістяків в конденсованої фазі: деякі чисті елементи в рідкому і кристалічному стані, розчини і з'єднання (особливо в разі іонного зв'язку), в яких цей диамагнетизм переважає над парамагнетизмом колективізованих електронів провідності в металах і коли внутрікристалічної зв'язки не дуже суттєво впливають на характер магнітного стану електронної системи. До цієї групи речовин належать, наприклад, інертні гази в рідкому і кристалічному стані, з'єднання з іонними остовами, подібними атомам інертних газів (Li +, Be 2+, Al 3+, O 2- і т.д.), галоїди в рідкому і твердому стані, деякі метали (цинк, золото, ртуть і ін.).
Б. Переважання парамагнетизм
а) «Класичні» парамагнітні гази: все гази, атоми, іони або молекули яких мають результуючим магнітним моментом, відмінним від нуля (наприклад, лужні та перехідні метали в газоподібному стані), гази O2, NO. Сприйнятливість їх позитивна (χпм <0), мала за величиною (- 10 -6), при не дуже низьких температурах і не дуже сильних магнітних полях (μБ H / kT << 1) не залежить від поля, але істотно залежить від температури; для χпм має місце закон Кюрі
(6.5)
де C - постійна Кюрі (див. гл. 9).
б) І о н н и й п а р а м а г н е т і з м у к о н д е н с і р про в а н н о й ф о з е спостерігається в рідких розчинах іонів перехідних елементів, а також в кристалах сполук цих елементів з іонним і неполярной зв'язком за умови, що магнітно активні іони слабо взаємодіють один з одним і їх найближче оточення в конденсованої фазі також слабо впливає на їх парамагнетизм. Типовими представниками цього класу магнетиков є розчини рідкоземельних елементів. При не дуже низьких температурах і не дуже сильних магнітних полях (μБ H / kT << 1) їх парамагнітна сприйнятливість знову-таки не залежить від поля, але залежить від температури; для χпм має місце закон Кюрі-Вейсса
(6.6)
де Θp - парамагнітна точка Кюрі. У разі сильних магнітних полів і низьких температур (μБ H / kT >> 1) магнітні властивості цих парамагнетиков починають сильно відрізнятися від властивостей «класичних» парамагнітних газів, оскільки спостерігаються ефекти магнітного насичення, а також починають більш різко позначатися і ефекти внутрікристалічних взаємодій (при εвз >> kT).
II. Магнетизм електронно-іонної систем в конденсованих середовищах
А. Переважання діамагнетизму
а) Діамагнетизм рідин і кристалів, в яких внутрікристалічної взаємодії істотно впливають на магнітні властивості. До цієї групи тел слід віднести діамагнітниє органічні сполуки (молекулярні кристали) з неполярной зв'язком (крім випадків, коли молекули або радикали мають відмінний від нуля магнітний момент і коли парамагнетичний ефект пригнічує диамагнетизм). Ці тіла, так само як і класичні Діамагнетик, мають невелику сприйнятливістю (| χпм | ~ 10 -6), практично не залежить від температури, але з помітною анізотропією (в монокристалах), обумовленої внутрікристалічної взаємодіями.
б) Діамагнетизм електронів проводімостіметаллов і напівпровідників. Цей вид магнетизму притаманний будь-який метал і напівпровідників. Однак у звичайних умовах він маскується сильнішим і завжди супутнім йому електронним парамагнетизмом (див. Нижче групу Б, а також гл. 11 і 12), а також і більш сильним магнетизмом іонних кістяків. Тільки в області більш низьких температур і при наявності досить сильних зовнішніх магнітних полів (μБ H / kT >> 1) можна знайти прояв характерних особливостей діамагнетизму електронів провідності, наприклад періодичну залежність магнітної сприйнятливості від зовнішнього магнітного поля (ефект де Гааза - ван Альфена і т .п.). Ці прояви електронного діамагнетизму вже виявлені в монокристалах великого числа металів (докладніше див. Гл. 11).
в) Надпровідники. Ряд металів при дуже низьких температурах (в інтервалі від 0 ° К до 15 ° К) має аномальними електричними і магнітними властивостями. Зокрема, при пропущенні через них електричного струму від сторонньої е.р.с. вони поводяться подібно ідеальним провідникам з нульовим електроопору (звідси термін - сверхнроводнікі). Однак не менш важливою характеристикою надпровідника є їх магнітні властивості. Усередині масивного надпровідника магнітна індукція завжди дорівнює нулю: B = 0 (ефект Мейсснера). Звідси на перший погляд можна на підставі формули (4.22) отримати I = - (1/4 π) H. Таким чином, як ніби-то можна сказати, що надпровідники є одночасно і сверхдіамагнетікамі з колосальною (в порівнянні зі звичайними діамагнетиками) сприйнятливістю: χсп = - (1/4 π) ~ 0,1. Треба зауважити, однак, що таке ототожнення надпровідника зі сверхдіамагнетіком носить лише формальний характер. Справа в тому, що всякий масивний надпровідник, що знаходиться нижче своєї критичної температури вів (вище якої при зовнішньому полі H = 0 метал переходить в нормальний стан) і в зовнішньому полі також нижче деякого критичного значення hкр (T) (вище якого надпровідність знімається навіть при T <Θ ° сп), являє собою тіло, на поверхні якого циркулює макроскопічний струм. Цей струм екранує товщу надпровідника від зовнішніх полів, і тому в ньому завжди B = H = 0 (крім тонкого поверхневого шару, товщиною ~ 10 -5 см), а проникність μ ≠ 0 і має звичайне значення, близьке до одиниці. Тому ніякої сверхдіамагнітной намагніченості всередині масивного надпровідника немає. Його умовно можна уподібнити лише одному діамагнітний атому, в якому роль прецесії електронних оболонок грає поверхневий макроскопічний струм [см. книгу Гінзбурга (1946) і його огляди [2 - 3], а також книгу Бардіна та Шриффера (1962)]. На жаль, до сих пір в рамках мікроскопічної теорії надпровідності не вдалося пояснити все магнітні властивості надпровідників [Бардін і ін. [4], Боголюбов, Толмачов і Ширков (1958)] (докладніше див. Гл. 8 і 25).
Б. Переважання парамагнетизм
а) Парамагнетизм електронів провідності в металах і напівпровідниках. Типовими представниками речовин. у яких переважає парамагнетизм спину електронів провідності, є лужні і лужноземельні метали, а також більшість металів перехідних груп (паладій, платина, скандій, титан і ванадій з групи заліза). Сприйнятливість їх мала (~ 10 -7 - 10 -5), практично не залежить від зовнішнього магнітного поля і, на відміну від «класичних» парамагнетиков, дуже слабо залежить від температури (особливо в разі лужних металів; у перехідних металів ця залежність більш помітніше ).
б) Парамагнетизм іонних кістяків в кристалах, коли на магнітні властивості цих іонів помітно впливає внутрікристалічної взаємодія. До цієї групи належать парамагнетики групи I, Б, б (див. Вище), коли в них велике внутрікристалічної взаємодія, а також всі кристали, що володіють атомною магнітним порядком при температурах вище їх критичної температури [точки Кюрі пли Нееля) або при полях вище еквівалентних (див. нижче)
III. Магнітні властивості речовини з атомним магнітним порядком
До цієї групи магнетиков відносяться чисті перехідні метали групи заліза: залізо, кобальт, нікель, хром, марганець, практично всі рідкоземельні метали, а також численні металеві сплави і сполуки, в яких хоча б одна з компонент є перехідним або рідкоземельних елементом. Як вже зазначалося вище, тут слід розрізняти два основних типи атомного магнітного порядку - феромагнітний і антиферомагнітний. В останньому випадку може спостерігатися або скомпенсований, або нескомпенсований антиферомагнетизм (Феримагнетизм). З цієї точки зору можлива така класифікація магнетиков з атомним магнітним порядком:
а) Феромагнетики (речовини з позитивною обмінною зв'язком, εвз> 0). До них відносяться кристали заліза, кобальту, нікелю, частина рідкоземельних металів (гадоліній, тербий, діспрозій, Гольмій, ербій, тулій і иттербий), численні сплави і з'єднання цих елементів між собою і з іншими неферомагнітними елементами; сплави і сполуки хрому і марганцю з неферомагнітними елементами, а також деякі сполуки металів групи актинидов (наприклад, UH3). Феромагнетизм в цих речовинах спостерігається в інтервалі температур від 0 ° К до критичної температури - точки Кюрі Θф, вище якої ферромагнетики поводяться як парамагнетики групи II, Б, б або в більш рідкісних випадках як II, Б, а (іноді має місце накладення обох цих типів парамагнетизм). Нижче точки Кюрі Θф в феромагнетиках спостерігаються не тільки специфічні магнітні властивості, але також і особливості (аномалії) в поведінці інших, немагнітних фізичних властивостей. Ці аномалії досягають максимуму поблизу точки Кюрі.
б) антиферомагнетики (речовини з негативною обмінної зв'язком, εвз <0, а також з повною компенсацією результуючого магнітного моменту в кожної елементарної магнітної осередку кристала). До цього типу магнетиков відносяться кристали хрому,? - марганцю, частина рідкоземельних металів (церій, празеодим, неодим, самарій, європій), численні сполуки перехідних елементів (наприклад, MnO, FeO, V2O3, CrS, MnS, MnF2, FeCl2, CuCl і т.д.). Всі вони, так само як і ферромагнетики, володіють деякою критичною температурою (антиферомагнітна точка Кюрі Θаф або точка Нееля ΘN), вище якої вони поводяться майже як нормальні парамагнетики, що підкоряються закону Кюрі - Вейсса (6.6). Нижче температури Нееля їх сприйнятливість знову зменшується і прагне до найменшого значення при T → 0 ° K, тобто при T = ΘN сприйнятливість антиферомагнетиків має максимум. При цій же температурі спостерігаються максимуми і всіх антиферомагнітних аномалій та інших немагнітних їх властивостей.
в) Феримагнетики (речовини з негативною обмінної зв'язком, εвз <0, але не з повною компенсацією результуючого магнітного моменту в кожної елементарної магнітної осередку кристала - нескомпепсірованний антиферомагнетизм). До цього типу магнетиков відносяться кристали з групи оксидів металів зі структурою кристалічної решітки типу шпінелі [4] виноска , Із загальною хімічною формулою MO ⋅ Fe2O3, де M - двовалентний катіон металу перехідних або нормальних груп (Cu2 +, Zn2 +, Mn2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 + і т.п.). Ці магнетики мають властивості, дуже схожими на властивості звичайних феромагнітних металів і сплавів, лише з тією різницею, що практично всі ці речовини є неметаллическими (напівпровідники). Особливі магнітні та інші фізичні властивості феритів спостерігаються в області температур нижче точки Нееля.
г) Речовини, в яких співіснують позитивне і негативне обмінна взаємодія
Тут можна виділити два подслучая:
- Слабкі ферромагнетики (речовини з негативною електростатичного обмінної зв'язком, εвз.об <0, у яких повна компенсація магнітних моментів в елементарної магнітної осередку кристала злегка порушується під дією більш слабкого магнітного взаємодії εвз.маг <εвз.ел). Типовими представниками цих магнетиків є кристали гематиту (α - Fe2O3), карбонатів перехідних елементів і ін.
- Речовини з «обмінній» анізотропією (магнетики, в яких співіснують як позитивна, так і негативна електростатична обмінний зв'язок, ε'вз.об >> 0 і ε''вз.об >> 0). Це можуть бути гетерогенні системи з просторово розділеними ферро- і антиферомагнітного фазами, але з тісним їх контактом (наприклад, система Со - СоО) або речовини без такого чіткого просторового поділу феро і антиферомагнітної фази (наприклад, сплав нікель - марганець поблизу складу Ni3 Mn , коли є стан з флуктуаціями ступеня далекого або ближнього порядку за обсягом зразка, і т.п.).
Як буде детально обговорено нижче (гл. 18 - 22), для речовин з атомним магнітним порядком можлива й інша класифікація, в якій за основу береться не тип магнітного порядку (феро або антиферомагнітний), а тип електростатичного обмінного взаємодії (пряме або непряме і т.п.). Однак для розуміння такої класифікації потрібно добре уявити собі фізичну природу обмінної зв'язку в реальних кристалах, а також мати більш детальні уявлення про їх електронну структуру. Тому таку класифікацію доцільно навести кілька пізніше (див. Гл. 18 - 22).
[1] Можуть бути, однак, і такі випадки, коли парамагнітна сприйнятливість дуже слабо залежить від температури (див. Гл. 11), наприклад, в лужних металах, а також в разі так званого поляризаційного парамагнетизм (див. Гл. 7).
[2] У деяких випадках, наприклад у атомів важких елементів, магнітна (релятивістська) енергія може досягати й більших величин, що наближаються до εел
[3] На магнітні властивості речовини, звичайно, впливає і магнітне взаємодія між атомними носіями магнетизму. Його також можна розділити, на Квазікласичне (кулоновское) спін - спіновий; і спин - орбітальна взаємодія, порядок величини якого визначається по (6.3), і магнітне обмінна взаємодія, що не перевищує перше по величині (Вонсовський, Власов, Туров [1]). Однак все ефекти, зумовлені цими магнітними взаємодіями, будуть, як правило, більш слабкими (релятивістськими) в порівнянні з сильними електростатичними взаємодіями.
[4] шпинелем називають з'єднання MgAl2O4. До цієї ж групи магнетиков відносяться хімічні сполуки зі структурою граната M32 + M23 + [SiO] 4, де M2 + може бути Cu2 +, Mg2 +, Fe2 +, Mn2 +, Y2 +, a M3 + - Al3 +, Fe3 +, Cr3 +, Ti3 + і ін. (Докладніше див. гл. 22).
Наші координати: [email protected]
Кий характер впливу зовнішніх впливів на ці носії, а також внутрішніх взаємодій між ними?До цього типу магнетиков відносяться кристали хрому,?