|
| |
|
Слаботочка Книги Облает ферромагнетизма величины обменной энергии в ферромагнитном металле в настоящее время является наиболее точным. Измерения показывают, что если пользоваться первым способом, то, например, для железа величина А (на атом кристалла) получается равной 1,6 10 !* эрг, а вторым способом - 2- 10 эрг. Величина обменного интеграла весьма сильно зависит от межатомных расстояний. Когда атомы находятся друг от друга на расстояниях, намного превышающих расстояния между атомами в кристаллах, то обменные силы ничтожно малы, и ферромагнетизм невозможен (вещество обладает парамагнитными свойствами). При сближении атомов эти силы возрастают и заставляют спиновые магнитные моменты электронов соседних атомов располагаться параллельно друг другу; возникает ферромагнитное состояние. По мере дальнейшего сближения атомов спиновые магнитные моменты удерживаются в параллельном положении все более прочно. Однако при достижении определенного расстояния между атомами обменные силы достигают некоторого максимума, а затем начинают опять уменьшаться и в конце концов обращаются в нуль. При еще более тесном сближении спины устанавливаются антипараллельно (обменный интеграл становится отрицательным), причем антипараллельная ориентация спинов в некоторых веществах является в энергетическом отношении более выгодной. Состояние вещества, характеризуемое самопроизвольной антипараллельной ориентацией спинов, называется антиферромагнетизмом. На рис. 6 схематически дана кривая изменения обменного интеграла в зависимости от величины К (отношения расстояния а между атомами к радиусу г незаполненной оболочки атома, в которой сосредоточены элементарные носители магнетизма ферромагнетика). Таким образом, из рассмотрения кривой, приведенной на рис. 6, следует, что ферромагнетизм в металлах наступает тогда, когда интеграл обмена становится положительным. Это является вторым  Рис. 6. Зависимость обменного интеграла от отношения {К) межатомного расстояния {а) к радиусу незаполненной оболочки (г). условием существования ферромагнетизма. Первым условием, как мы видели в предыдущем параграфе, является наличие нескомпенсированных спиновых магнитных моментов в недостроенных электронных оболочках атомов. Слэтер 17] показал, что у ферромагнитных элементов отношение ~, как правило, всегда больше, чем у других элементов, обладающих также незаполненными внутренними оболочками. В таблице 1 приведены значения у для некоторых элементов с незаполненными внутренними оболочками. Таблица 1
Из таблицы мы видим, что К имеет наибольшие значения для четырех существующих ферромагнитных элементов: гадолиния, никеля, кобальта и железа, тогда как для других элементов К мало (меньше трех). В настоящее время, помимо ферромагнитных сплавов, в которые в качестве компонент входят железо, никель и кобальт, известны также сплавы, состоящие целиком из неферромагнитных компонент. К ним, например, относятся сплавы марганца с сурьмой, висмутом, серой и др. Ферромагнетизм этих сплавов можно объяснить тем, что введение в решетку марганца атомов висмута, сурьмы, серы и др. изменяет взаимные расстояния между соседними атомами, в результате чего возникают достаточно большие положительные значения обменного интеграла {К > 3). Однако такое простое объяснение не всегда применимо. Рассмотрим, например, сплавы, в которых при нагревании происходит упорядочение атомов. Это упорядочение атомов в большинстве случаев происходит без существенного изменения параметров решеток сплавов; тем не менее здесь возникают весьма резкие изменения ферромагнитных свойств. Например, в сплаве никель - марганец состава NigMn, который в закаленном состоянии (неупорядоченном) парамагнитен, при нагревании вследствие упорядочения атомов возникает ферромагнетизм, больший, чем в чистом никеле. В других сплавах (сплавы железа с хромом и ванадием) ферромагнетизм, наоборот, имеет место в неупорядоченном состоянии, а при упорядочении атомов исчезает. Вонсовский [8, 9] показал, что при рассмотрении ферромагнитных свойств сплавов необходимо учитывать различие в величинах и знаках обменных интегралов, взятых для различных пар атомов в сплаве. Так, например, в случае двойных сплавов необходимо рассматривать не один обменный интеграл, как это имело место в чистых ферромагнитных металлах, а три. Если обозначить атомы первой компоненты сплава индексом а, а второй - индексом Ь, то эти три интеграла обмена следует обозначить Л, Л, и Л, соответственно для ближайших атомных соседств типа а - а, а - bub - д. Принимая это обстоятельство, Вонсовский [9] путем обобщения теории Гейзенберга и Блоха получил формулы для самопроизвольной намагниченности двойных сплавов в функции температуры и концентрации, которые по своему характеру напоминают формулы (2) и (6), выведенные для чистых металлов. В упомянутой работе [9] даются также выражения для температуры Кюри этих сплавов в функции концентрации. Так, для случая неупорядоченного сплава 6 [Лаа + 2 {Лаа аь) + (аа + ЬЬ - \b)h (7) где п - концентрация атомов одной из компонент двойного сплава (например, Ь). Эта формула, прежде всего, показывает, что по численным значениям температуры Кюри сплавов мы можем делать суждение только о величине некоторого среднего или результирующего обменного интеграла в них. Далее 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 |