Магнетохімія. Магнітні властивості речовин
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
»і, і атом поміщено в зовнішнє магнітне поле; вектор магнітної індукції цього поля В0 направлений перпендикулярно до площини орбіти.
На електрон у цьому випадку діють дві сили: центробіжна і сила Лоренца, які направлені в одному напрямку:
Fцб =
де 0 лінійна швидкість електрона при відсутності магнітного поля. Лінійна швидкість звязана з кутовою швидкістю:
де 0 кутова швидкість електрона при відсутності поля.
0 = 0r; Fцб = = mr ; Fл =; Fл = е0rB0.
Тоді сила, що діє на електрон, рівна сумі цих двох сил.
F = Fцб + Fл = m2r; m2r = mr + e0rB0; m2r mr = e0rB0;
mr(2 ) = e0rB0; mr( 0) ( + 0) = e0rB0;
+ 0 = 20; 0 = L; mr20L = e0rB0;
(4)
L зміна кутової швидкості руху електрона під дією зовнішнього магнітного поля називається Лармоловою кутовою частотою. Така зміна кутової частоти буде визначатись при умові, що зовнішнє магнітне поле направлено строго перпаендикулярно до площини орбіти, по якій рухається електрон. Якщо поле по відношенню до орбіти електрона направлено довільно, то в атомі виникає явище прецесії. Під дією зовнішнього магнітного поля орбіта починає ”покачуватись”, а вектор Р буде описувати навколо напрямку В конус. Кутова швидкість обертання вектора моменту кількості руху навколо напрямку поля буде рівна Лармоловій частоті L. А оскільки будь-який рух зарядженої частки є не що інше як електричний струм, то за рахунок прецесії орбіти електрона виникає магнітний момент, звязаний з цим струмом:
І = еL; L =
І = e(5)
Підставимо в (5) значення L із (4):
І =
де m маса електрону;
е заряд електрону;
В0 вектор магнітної індукції зовнішнього поля.
За рахунок цього елементарного струму І виникає додатковий магнітний момент руху ?.
? = ?0IS; ? = ; S = ,
S площа кола, яке описується під час прецесії.
? = =
? це магнітний момент, який виникає у діамагшнітного атома, який розміщений у зовнішньому магнітному полі, якщо він має один електрон.
Якщо в атомі z електронів і середня віддаль цих електронів від ядра рівна аi, то квадрат середньої віддалі z електронів дорівнює zai2, тоді
? = ,
а якщо в обємі речовини є n атомів, то
? = .
Магнітна сприйнятливість:
тоді магнітна сприйнятливість діамагнітної речовини
=
діамагнітної речовини є величина стала, не залежить від напруги зовнішнього поля і температури і має відємне значення.
Парамагнетизм. На відміну від діамагнетиків, парамагнетики мають відмінний від нуля магнітний момент навіть при відсутності поля. В парамагнітних речовинах магнітні моменти окремих атомів, що мають неспарені електрони, орієнтовані довільно. Їх впорядкування проходить лише під дією зовнішнього магнітного поля. Енергія взаємодії між магнітним моментом атома і магнітним полем може бути розрахована за формулою
U = ?Hcos
де кут між напрямком магнітного моменту і напрямком поля. Ця енергія буде мінімальною, коли = 0, що означає намагання магнітних моментів атомів розміститися паралельно силовим лініям поля. Такому впорядкованому розміщенню магнітних моментів атома заважає хаотичний тепловий рух. Таким чином, задача побудови теорії зводиться до того, щоб, враховуючи руйнівну дію теплового руху визначити середнє значення проекції магнітного моменту атомів на напрямок зовнішнього поля. Саме ці проекції будуть визначати наявність відмінного від нуля магнітного моменту одиниці обєму речовини.
Побудова теорії парамагнетизму звязана із статистичними методами розрахунків і зводиться до визначення імовірності того, що при даній температурі і даному напрямку зовнішнього магнітного поля фіксований магнітний момент атома розміститься в деякому тілесному куті d по відношенню до напрямку поля, де кут між власним магнітним моментом атома і зовнішнім магнітним полем. Кінцевий результат розрахунку магнітної сприйнятливості для парамагнітної речовини має вигляд
=
де n число атомів речовини в одиниці обєму;
? магнітний момент одиниці обєму;
?0 магнітна стала;
k стала Больцмана;
Т температура, К.
Як видно з формули залежить від температури.
При температурах близьких до абсолютного нуля, моменти атомів парамагнетиків встановлюються паралельно магнітному полю, і в речовині виникає максимальний магнітний момент. До парамагнетиків належать атоми або іони з незамкнутою зовнішньою оболонкою. Особливо чітко парамагнітні властивості проявляються у перехідних металів Ti>Cu, Zr>Ag, Hg>Au, рідкоземельних елементах.
Лише дуже незначна кількість молекул, що містять парне число електронів, парамагнітні. Це, наприклад, кисень і сірка. Парамагнітні також сполуки:
No, No2, ClO2, R2O4
Оскільки чисельна величина парамагнітного моменту показує, скільки електронів у зовнішній оболонці молекули мають паралельні спіни, ясно, що вимірювання магнітної сприйнятливості дуже важливе при вивченні природи хімічного звязку і будови електронної оболонки. Особливо велике значення це має при вивченні парамагнітних вільних радикалів в органічній хімії.
Теорія феромагнетизму. У феро- і антиферомагнітних речовин впорядкування орієнтації магнітних диполів проходить самовільно. Таке впорядкування повинно характеризуватися деякою додатньою енергією взаємодії сусідніх спінів, які впорядковуються або паралельно або антипаралельно. Феромагнітні матеріа?/p>