Магнетохімія. Магнітні властивості речовин
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
антипаралельному розміщенню спінів. У випадку феромагнітних матеріалів це веде до порушення впорядкованості паралельної орієнтації з ростом температури. В антиферомагнітних матеріалах це приводить до зменшення степені антипаралельного впорядкування, тобто до збільшення числа розупорядкованих спінів.
Магнітні властивості електронів, ядер, атомів. Природа діа-, пара- і феромагнетизму обумовлюється магнітними властивостями часток, що входять до складу цих речовин. Розглянемо модель одноелектронного атома (мал. ).
Мал. Модель одноелектронного атома
Електрон на своїй орбіталі можна розглядати як деякий елементарний електричний струм з відповідним зарядом і частотою: І = е , де е заряд електрона; частота руху електрона. Магнітний момент, який виникає навколо цього струму, рівний: = ?0 І S, де І сила струму; ?0 магнітна проникність вакуума, або магнітна постійна = 4?107 Гн/м; S площа орбіти, по якій рухається електрон. Тоді можна записати
= ?0еS(1)
S = ?r2(2)
= (3)
Значення (2) і (3) підставляємо в формулу (1):
= ?0е?r2 = ?0еv= ?0еvr
це величина магнітного моменту струму, який створюється рухом одного електрона по орбіті. Вона відповідає магнітному моменту атома, який виникає за рахунок орбітального руху електрона, тому ? = ( орбітальне квантове число). Цей же рух електрона по орбіталі створює механічний момент кількості руху = mr. Справедливе відношення
.
? називають магнітомеханічним або гіромагнітним співвідношенням. Тоді
= ?
Згідно квантової механіки механічний момент кількості руху електрона квантується за правилом:
, = 0,1,2,...,n1. Отже
= ? =
Величина складається з добутку постійних величин і називається магнетоном Бора:
МБ = ; = МБ
Знак ”” показує, що напрямки орбітального і механічного моменту протилежно направлені.
Електрон в атомі приймає участь в двох рухах одночасно: навколо ядра і навколо власної осі. Рух навколо власної осі називається спіновим, і власний механічний момент кількості спінового руху (спіна) виражається формулою:
РS =
де s спінове квантове число для електрона рівна .
Для спінового магнітного момента гіромагнітне співвідношення ?s визначається:
?s = ?sPs ; ?s = ; = 2МБ; ?s = .
Тоді магнітний момент, який звязаний з спіновим рухом електрона рівний
?s = 2МБ
Ядерний магнітний момент. Ядро атома являє собою додатньо заряджене утворення, яке складається з протонів і нейтронів. В кожному ядрі z протонів, де z порядковий номер елемента і АZ число нейтронів, де А масове число елементу. Ядро, яке складається з А нуклонів, також буде мати власний механічний і магнітний момент. Всі існуючі ядра атомів діляться на чотири типи в залежності від кількості нейтронів і протонів в них.
Таблиця Типи ядер атомів
ZAZКвантове число спіна ядра, Іпарнепарне0парненепарне1/2, 3/2, 5/2непарнепарне1/2, 3/2, 5/2непарненепарне0; 1; 2; 3
Всі ядра парно-парного типу мають власний механічний і магнітний моменти рівні нулю, таких ядер 56. Ядра, з напівцілим спіном, мають власний механічний момент і відповідно магнітний момент не рівний нулю це парно-непарні і непарно-парні ядра.
Якщо ядра мають цілий спін (непарно-непарні), то їх властивості визначаються електричним квадрупольним моментом, таких ядер елементів 5.
Для ядер з напівцілим спіном магнітнтй момент ядра виражається:
?яд = ?ядРяд
Причому Ряд =
де І ядерне квантове число.
Ядерне гіромагнітне відношення:
?яд =
де mp маса протону. ?яд має додатнє значення, бо заряд ядра додатній. Тоді
?яд =
Множник
називається ядерним магнетоном і позначається Мяд. Тоді
?яд = Мяд
Дійсний ядерний момент більший ніж вирахуваний за формулою на деяку величину q і тому
?яд = qМяд
де q ядерний фактор, більший за 1.
Якщо є атом, який складається з ядра і декількох електронів, то можна визначити магнітний і механічний моменти атому, якщо просумувати магнітні моменти електронів і ядра. Сумування механічних і магнітних моментів слід проводити з врахуванням таких особливостей:
1) сумування потрібно проводити векторне;
2) потрібно враховувати, що вектори, які сумуються, ще і квантуються, тобто можуть бути орієнтовані в просторі лише певним чином.
Векторне сумування проводиться по так званій схемі (LS) звязку, яка справедлива, якщо взаємодія між електронами сильніша, ніж спін-орбітальна взаємодія кожного електрону. Сумування проводиться за схемою
; ; J =
де повний момент кількості руху електронної оболонки. Через квантові властивості векторів, що сумуються, квантові числа, що визначають значення сумарного вектора, можуть приймати такі значення:
J = L + S, L + S 1L S.
Тоді повний магнітний момент атома буде визначатися так:
?j = ?j Pj ;
?S + L = повний магнітний момент;
повний механічний момент.
Теорія діамагнетизму. Діамагнітні речовини не мають діамагнетизму власних магнітних моментів. Магнітний момент в них виникає тільки у випадку розміщення їх в зовнішньому магнітному полі.
Для вивчення природи діамагнетизму розглянемо модель атома, у якого по круговій обіталі радіусом r рухається електрон (мал. ) з лінійною швидкістю , яка направлена по дотичній до орбіта?/p>