|
| |
|
Слаботочка Книги электроны (вообще очень слабо связанные с атомом) существенно не могут менять магнитного момента атома. Итак, элементарными магнитиками являются не все электроны атома железа, а только небольшая часть их. В атомах никеля в создании магнитного момента атома принимает участие еще меньшее число электронов, чем в железе. В изолированных атомах железа и никеля орбитальные движения электронов также дают некоторый магнитный момент. Однако если эти атомы становятся частью металла, то магнитное поле не производит заметного действия на электронные орбиты, и они почти не участвуют в создании магнитных моментов атомов. Это доказывают магнетомеханические опыты, о которых упоминалось выше. Причины такого замораживания электронных орбит в атомах ферромагнитных металлов в настоящее время еще не совсем ясны. Экспериментальные исследования показывают, что вещества, имеющие атомы с недостроенными оболочками, всегда обладают своеобразны.мп магнитными свойствами. Согласно таблице Менделеева атомы с незаполненными оболочками имеют элементы переходной группы: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, редкоземельные элементы: Gd, Dy, Er, Yb и др. Эти элементы, как правило, всегда обнаруживают сильный парамагнетизм, а некоторые из них - Fe, Ni, Со и Gd - ферромагнетизм. Из всего сказанного следует, что одним из условий существования ферромагнетизма является, прежде всего, наличие нескомпенсированных магнитных спиновых моментов, которые могут возникать только в атомах с незаполненными оболочками. Однако последнее условие только необходимо, но еще не достаточно, ибо незаполненные оболочки имеют и элементы, не обладающие ферромагнитными свойствами. Ниже мы увидим, что для возникновения ферромагнетизма необходимо второе условие - наличие электрического взаимодействия квантовомеханической природы между спинами соседних атомов (обменные силы). Величина результирующего магнитного момента атома может быть определена из измерений намагниченности насыщения /ц (экстраполированной к абсолютному нулю). Разделив ее значение на число атомов в единице объекг ферро-Mai нетика, получим, что в среднем на каждый атом никеля, кобальта, железа и гадолиния приходится соответственно 0,6; 1,7; 2,2 и 7,1 магнетона Бора. Магнетон Бора - единица магнитного момента, численно равная магнитному моменту спина электрона (0,9273 10- CGSM). Если же исходить из наличия числа нескомпенсирован-ных спинов в незаполненных оболочках тех же элементов, то мы должны были бы получить соответственно 2, 3, 4 и 7 магнетонов Бора на атом. Указанная дробность магнитных моментов была наблюдена также и для ферромагнитных сплавов. До сих пор исчерпывающего объяснения явлению дробности атомных магнитных моментов не дано, несмотря па ряд попыток в этом направлении [8]. Анализ экспериментального материала показывает, что число электронных спинов в атоме, принимающих участие в намагничивании, может изменяться в зависимости от того, в каких условиях находится атом (в изолированном состоянии или в металле, какие соседние атомы окружают данный атом и пр.) Изучение сплавов ферромагнитных металлов с неферро-магнятными показывает, что магнитные моменты атомов железа, никеля и кобальта в таких сплавах могут меняться благодаря тому, что число электронов в их незаполненных оболочках изменяется за счет валентных электронов, переходящих от атомов неферромагнитных элементов. Последнее обстоятельство очень хорошо можно проиллюстрировать на примере сплавов никеля с медью, цинком, алюминием, кремнием и сурьмой. Рассмотрим сначала случай, когда к металлическому никелю добавляются атомы меди. Замена одного атома никеля в решетке медно-никелевого сплава одним атомом меди эквивалентна добавлению одного электрона, поскольку атом меди имеет один валентный 45-электрон. Этот электрон стремится занять в сплаве место с наинизшей энергией и находит его в подоболочке 3d никеля скорее, чем в атоме меди, к которому он первоначально принадлежал. Это понижает магнитный момент атома никеля на один магнетон Бора, вследствие чего результирующий момент всего сплава в целом также понижается. Дальнейшее добавление меди к никелю уменьшает магнитный момент атома никеля до тех пор, пока все пустые места в подоболочке 3d не будут заполнены. Это будет соответствовать нулевому значению результирующего магнит- ного момента сплава (при 0°К). Последнее имеет место тогда, когда в медно-никелевом сплаве (рис. 3) содержится 60% атомов меди. На рис. 3 также показано, как изменяется результирующий магнитный момент при добавлении к никелю атомов цинка (два валентных электрона), алюминия (три электрона), кремния (четыре электрона), сурьмы (пять электронов). Видно, что при добавлении цинка к никелю этот момент падает в два
о 5 Ш 15 ZD Z5 30 3S 40 ¥S SO 55 60 S5 70 СодерЖйние примеси, % [am] Рис. 3. Изменение среднего числа магнетонов Бора на атом в никелевых сплавах в зависимости от содержания легирующих элементов. раза быстрее, чем при добавлении меди; при добавлении алюминия - втрое быстрее; кремния - вчетверо и сурьмы - впятеро. Результаты этих опытов легко объясняются, если предположить, что добавляемые атомы, так же как и в случае сплава никель-медь, отдают свои валентные 45-электроны, которые и заполняют подоболочку Ъй в атомах никеля. При этом атомы цинка, алюминия, кремния и сурьмы отдают, очевидно, в 2, 3, 4 и 5 раз больше 45-электронов, чем атомы меди. Следует, однако, отметить, что в случае других ферромагнитных сплавон дело обстоит гораздо сложнее, и приведенное объяснение не всегда применимо. 2 Зак. 2602. к. п. Белов. 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||