Строение и общие сведения о ферромагнетиках
Рассмотрим строение атомов ферромагнитных веществ (в изолированном состоянии). Как известно, электроны в атомах занимают различные энергетические уровни, определяемые квантовыми числами. Для наглядности часто пользуются представлением о том, что в атоме имеются более или менее резко разграниченные оболочки, содержащие определенное количество электронов, обращающихся вокруг ядра. Некоторые из оболочек в свою очередь подразделяются на слои или подоболочки. В теории атома принято различные оболочки и подоболочки обозначать индексами 1
s
, 2
s
, 2
p
, 3
s
,
3р, 3
d
, 4
s
и т. д. При этом цифра указывает номер оболочки, а буквой обозначается подоболочка. Электроны в атоме всегда стремятся занять места в оболочках и подоболочках, лежащих ближе к ядру, как более выгодных в энергетическом отношении.
Поэтому при образовании электронных оболочек атома, как правило, сначала заполняются оболочки и подоболочки, расположенные ближе к ядру, а затем уже более удаленные. Однако есть атомы, у которых эта последовательность заполнения мест электронами нарушается, а именно: максимальное число электронов в каждой оболочке не всегда достигается к моменту начала образования следующей оболочки. Тогда в атоме появляются так называемые незаполненные оболочки и подоболочки. Элементы, состоящие из таких атомов, называются переходными; к ним принадлежат, в частности, и элементы, обладающие сильными ферромагнитными свойствами (Fe, Со, Ni, Gd).
Посмотрим теперь, каким образом устроен атом ферромагнитного металла, например железа, и какими магнитными свойствами он обладает, будучи в изолированном состоянии, а также находясь в окружении других атомов железа. Атом железа содержит 26 электронов, которые можно подразделить на четыре оболочки. Первая, самая внутренняя оболочка содержит два электрона (1
s
-электроны), вторая — восемь (2
s
- и 2
p
-электроны), третья - 14 (3
s
-, Зр-,
З
d
-электроны) и последняя—два (4
s
-электроны). При этом вторая оболочка состоит из двух (s
и р
), а третья — из трех (s
,
p
ud
) подоболочек (рис. 1).
Рис. 1. Электронные оболочки и подоболочки в атоме железа. Электроны незаполненной подоболочки 3d являются элементарными «магнитиками» железа
Третья и четвертая оболочки атома не достроены: при нормальной достройке в первой из них должно было быть 18 электронов, а во второй — 32. Недостающие четыре электрона в третьей оболочке приходятся на подоболочку 3
d
.
В электронных оболочках некоторые электроны имеют спины, ориентированные в одном направлении, другие — в прямо противоположном; эти направления спинов для последующего удобно обозначить положительными и отрицательными знаками. Рис. 1 показывает, сколько электронов с положительными и отрицательными спинами имеется в каждой оболочке атома железа; мы видим, что первая и вторая оболочки содержат одинаковое число электронов с положительными и отрицательными спинами. Магнитные спиновые моменты электронов в каждой из этих оболочек взаимно компенсируют друг друга так, что последние в магнитном отношении являются нейтральными.
В третьей оболочке первые две подоболочки 3
s
и 3
p
, как видно из рис. 1, нейтральны в магнитном отношении, тогда как в подоболочке 3d
имеется пять электронов с положительным спином и один с отрицательным. Таким образом, четыре электронных спина из подоболочки 3d
остаются нескомпенсированными, а, следовательно, весь атом в целом имеет определенный результирующий магнитный момент. Наружные — «валентные» — электроны атома железа, находящиеся в оболочке 4s, в общем случае также могут быть нескомпенсированы. Опыты установили, однако, что эти 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, в частности опыт Эйнштейна – де Гааза. Причины такого «замораживания» электронных орбит в атомах ферромагнитных металлов в настоящее время еще не совсем ясны.