Еще немного о внутриатомной природе магнитных свойств веществ

Считая доказанным, что Камсрлинг-Оннес в 1911 г. открыл не сверхпроводимость, а сверхнамагничиваемость твердых тел (в частности, металлов), полагаем необходимым пояснить это утверждение с позиций вышеизложенной непланетарной электронной структуры атомов.

Существует научный факт, который, вероятно, является одним из определяющих в понимании физической природы перехода тел в свсрхна- магниченное состояние при известных условиях эксперимента. Суть его в следующем. Если температура, например, металла, снижается, и при этом «суммарная энергия тела уменьшается, т. е. если система переходит в состояние с меньшей тепловой энергией, то кинетическая энергия образующих ее заряженных частиц - и, в первую очередь, электронов - возрастает» [111. С. 25]. Этот факт, по мнению Я. И. Френкеля, «на первый взгляд кажется несколько странным; в случае атома водорода он сводится к тому, что при уменьшении расстояния электрона от ядра скорость движения электрона должна увеличиваться. Совершенно аналогичное соотношение известно в астрономии: чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она движется» [111. С. 26].

Следовательно, чем меньше температура, чем быстрее движутся электроны в атомах, тем большую величину имеет центробежная сила вращающихся электронов, что при определенной низкой температуре приводит к выходу протодьяконовских пар электронов за уровень Ферми, что вызывает резкое ослабление взаимодействия этих электронов с их ядрами. Но так как в атомах электроны протодьяконовской пары не перестают взаимодействовать с ядрами и между собой, то они остаются по-прежнему принадлежащими своим атомам. Такое состояние вещества рассматривается как качественно отличное, самостоятельное фазовое состояние второго рода при очень низких температурах, переход к которому, как известно, осуществляется без поглощения или излучения тепловой энергии - энергии колебательных движений атомов вещества.

Известно, что энергия Ферми, или ферми-уровень, это определенное значение энергии (EF), при котором, если электрон с механическим импульсом движения Р меньше Рр — ферми-импульса (граничного импульса), то он находится внутри объема, ограниченного поверхностью Ферми. Поверхность Ферми есть изоэнергетическая поверхность в пространстве атома, где импульсы электронов Р < PF. Если Р ненамного больше Рр, то связь электрона с ядром ослаблена. Но если Р » PF, то электроны оказываются свободными от своих атомов. Критическая скорость движения электрона, находящегося на объемной поверхности Ферми, равна

где т - масса электрона.

Подсчитано, что см/с [52].

У атомов поверхность, или уровень, Ферми имеет сферическую форму. Поверхности Ферми взаимосвязанных атомов имеют разнообразные формы, например, такие, какие показаны на рис. 24.

Виды поверхностей Ферми двух, трех и пяти соединенных атомов [52]

Рис. 24. Виды поверхностей Ферми двух, трех и пяти соединенных атомов [52]

Очевидно, что энергия взаимодействия (связи) электронов с ионом атома Ес за пределами поверхности Ферми, имеющей энергию Ер, по мере удаления их от ядра атома уменьшается постепенно, возможно так, как показано на рис. 25.

Представление об уровне и поверхности Ферми есть следствие принципа Паули, согласно которому в стабильном состоянии с импульсом Р не может находиться более двух частиц. Причем эти частицы, в частности электроны, должны иметь разные спины. Теоретическое построение поверхности Ферми основано на модельных представлениях о движении электронов в силовом поле ионов.

Распределение энергий электрона за пределами уровня Ферми

Рис. 25. Распределение энергий электрона за пределами уровня Ферми: г - расстояние от поверхности ядра атома; /у- расстояние до поверхности Ферми; /*0— расстояние, на котором прекращается связь электрона с атомом

Постоянный ток проводимости обычной электрической энергии с его магнитной составляющей, или постоянный поток только магнитной энергии Н в теле, пребывающем в особом низкотемпературном фазовом состоянии, способном к свсрхнамагничиваемости, легко разворачивают частично высвобожденные (т. е. ненамного вышедшие за пределы поверхности Ферми - в зону от /у до г„, рис. 25) протодьяконовские пары электронов и ориентируют эти диполи (атомные микромагнитики) в направлении действующего постоянного магнитного поля электрического тока или постоянного магнитного поля от какого-либо внешнего источника. Так происходит магнитная индукция В от магнитного поля Нв внутри тела, и оно становится намагниченным на величину М, зависящую от величины намагничиваемого тела. Но почему возникающее в теле магнитное поле Нв всегда больше внешнего поля намагничивания Н (II « Нв), и тело при температуре Т < Ткр становится свсрхмагнетиком? Кроме того, почему наведенное в теле магнитное поле не исчезает и не убывает со временем после прекращения намагничивания от внешнего источника? Ответ на первый вопрос состоит в том, что обычный ферро- и парамагнетизм обусловлены соответствующей ориентацией протодьяконовских пар электронов первого (внешнего) и, возможно, второго уровня, находящихся внутри поверхности Ферми. При этом, по причине большой силы связи электронов с ядром атома и другими электронами, не многие протодьяконовские диполи могут быть сориентированы в направлении вектора Н, а только их небольшая часть. Поэтому нормальная намагниченность М„ невелика.

При криогенных температурах (Т< Ткр), по указанным выше причинам, вероятно легче и больше протодьяконовских пар электронов выходит за пределы поверхности Ферми и участвуют в намагничивании тела. Поэтому большим количеством диполей создается большее магнитное поле сверхмагнетика Нс, и оказывается, что Нс» И и, следовательно, Мс» Мн.

Ответ на второй принципиальный вопрос может быть таким. При ферро- и паранамагничивании электронные протодьяконовские пары атомов твердого тела связаны общим магнитным полем с диполями только соседних атомов - устанавливается устойчивый ближний электронный порядок, сохраняющий намагниченность после прекращения намагничивания. При переходе вещества в состояние возможной свсрхнамагничи- ваемости, вероятно, происходит не только ориентация большего числа диполей в направлении поля //, но и сближение электронов диполей друг с другом, что увеличивает их общий магнитный потенциал. Кроме того, исходя из принципа Паули, на одной устойчивой орбите может быть два электрона, можно с достаточным основанием считать, что орбиты единичных электронов низлежащего уровня сливаются, объединяются. В таком случае Нс существенно увеличивается и устанавливается дальняя связь (дальний электронный порядок) этих электронов, объединенных уже в купсровские пары внутри атомов.

Установлению дальнего порядка (дальних магнитных взаимосвязей) электронных субструктур в сверхмагнитном состоянии тела способствует и обычное сближение атомов при понижении температуры. Разрушить эту дальнюю магнитную связь можно, если пропустить критический ток или приложить критическое магнитное поле, не совпадающее с направлением сверхнамагниченности (см. табл. 2).

Изложенное здесь представление о возможной физической природе сверхнамагничивания можно кратко сформулировать так. Протодьяконов- скис пары электронов (атомные диполи), «выстроившись» под влиянием вектора Н, образуют с ближайшими электронами атома другие электронные пары. Эти пары «сконденсированных» электронов и есть куперовские пары. Так, вероятно, происходит объединение орбит сблизившихся соседних электронов в более мощные (двойные) магнитные диполи Протодья- конова, и этим создается устойчивая электронная субструктура дальней магнитной связи, которая, как и в случае обычных магнитов, нс разрушается при разрезании сверхнамагниченного образца.

Возможно также, что куперовскими парами электронов являются электроны разных (соседних) атомов, между которыми устанавливается дальняя магнитная связь, обеспечивающая неразрывность диамагнетизма тел (эффект Оннеса - Джозефсона). Вопрос о процессе формирования ку- перовских пар электронов и процесс перехода вещества к свсрхдианамаг- ничиванию подлежат еще исследованию и обсуждению. Однако на основе предлагаемой модели электронного строения атомов, с их протодьяконов- скими парами электронов, являющимися внутриатомными элементарными магнитиками, или магнитными диполями, есть возможность адекватного понимания того, как «конденсируются» электроны в купсровскис пары нс самопроизвольно, а в процессе сверхдианамагничивания при закритически низких температурах.

Итак, однонаправленная ориентация множества протодъяконовских пар (внутриатомных диполей) и установление при этом сильных магнитных связей между ними посредством создания своего рода электронных «нитей», или «каналов», из соединенных диполей общим магнитным полем обеспечивает эффект стабильности и увеличения намагниченности сверхмагнетика. В этом состоит физическая природа свсрхнамагничиваемости многих веществ (сверхмагнетиков) в условиях криогенных температур.

Далее, используя изложенную здесь в общих чертах и немного скорректированную атомную модель М. М. Протодьяконова, есть необходимость рассмотреть кинематическую схему механизма взаимодействия электронов с ядрами.

Не считая планетарную модель атома водорода правильной, но признавая круговое движение отрицательно заряженного электрона в положительном электрическом поле ядра атома, надо учитывать, наряду с электромагнитным полем, вызванным орбитальным и спиновым движением электрона, еще и взаимное влияние (притяжение электрона ядром) электрических полей электрона (?<->) и ядра (?(+)), т. е. (?(+, _>) или FE. В таком случае силовая модель атома водорода будет иметь принципиально другой вид. Очевидно, что вектор механической силы, действующей на движущийся электрон по своей орбите, находятся в плоскости орбиты. Только электрические силы взаимодействия электрона с ядром (FE) направлены под углом к ядру, а собственное магнитное поле электрона в атоме На и, следовательно, вектор обобщенного магнитного момента Рт направлены перпендикулярно плоскости орбиты электрона. Обобщенный механический момент орбиты электрона L, направлен перпендикулярно плоскости контура орбиты с током электрона. Он обусловлен орбитальным механическим моментом движущегося электрона Lop5, вектор которого лежит в плоскости орбиты, но имеет и составляющую силу L перпендикулярную плоскости орбиты.

Механический момент силы L вращающегося по орбите электрона, направленный перпендикулярно площади орбиты, появляется только при вращении его в нецентральном для орбиты поле взаимодействия. В сложных атомах (количество электронов два и более) движение всех электронов по своим орбитам происходит в нецентральном для них электрическом поле ядра. Это «нецентральное» относительно ядра вращательное движение электронов возникает в атомах, в частности, у спаренных протодьяко- новских электронов, отталкивающихся друг от друга, в силу одинаковости их зарядов, что наглядно можно показать на примере двухэлсктронного атома гелия (рис. 26).

Электромагнитная модель атома гелия

Рис. 26. Электромагнитная модель атома гелия:

Н0 - напряженность магнитной силовой линии; Fus - центробежная сила;

Ll - перпендикулярный момент механической силы;

Z.op6 - орбитальный момент механической силы вращательного движния электрона; FE - электрическая сила направленная к ядру;

Рт - магнитный момент

Исходя из принятой нами модели атома и согласно с рис. 25, можно считать, что механические моменты сил, возникающие у электронов, движущихся по своим орбитам, уравновешиваются электрической силой взаимодействия электрона с ядром атома. Источниками магнитных силовых моментов у электронов являются орбитальные и спиновые токи. Спиновое движение электрона в атоме - это, очевидно, не только вращение его вокруг своего центра массы (что противоречит некоторым научным представлениям [123]), но и спиралеобразное движение вдоль его орбиты. Это движение, кроме поступательного, имеет две степени свободы кругового движения, например, слева направо или справа налево. Поэтому магнитное спиновое число п = ±1/2. Из физической теории атома известно, что спиновый механический момент электрона в квантовых единицах измерения равен [30], [33]

а спиновый магнитный момент

Значение Рт с„„н мало, и поэтому внешнее магнитное поле Н легко может изменять его знак, т. е. направление спина, и, следовательно, создаваемого спиновым движением электрона магнитного поля Н0. Этим объясняется, например, хорошая псремагничивасмость ферромагнетиков в переменном магнитном поле Н. Если у спаренных протодьяконовских электронов внешнего внутриатомного уровня разные по знаку спины, то такое вещество, в обычных условиях температур и внешних магнитных полей, немагнитно, так как противоположно направленные магнитные поля электронов На компенсируют друг друга и поэтому не реагируют на внешнее поле Н.

Достаточно обоснованным считается, что вне действия внешнего магнитного поля Н магнитный орбитальный момент электрона Р„, орg и его спиновый магнитный момент Рт сп„„ численно равны, т. е.

Под влиянием внешнего магнитного поля /7 индуцируется дополнительный орбитальный ток, ускоряется орбитальное движение электрона, и возникает наведенный орбитальный магнитный момент АРт орв, равный [47]

где приращение Доз и Н направлены против угловой скорости вращения по орбите и от собственного поля На.

Вероятно, что вид магнетизма и величина намагничивасмости (магнитной восприимчивости х) зависят от соотношения электронных орбитальных и спиновых магнитных полей и их силовых моментов при воздействии на вещество внешним магнитным полем. В связи с этим можно сформулировать следующие предположения.

  • 1. Если ДР,„ орб « Рт спин = Рт орб. то это при нормальных темпера- турных условиях является критерием ферромагнетизама.
  • 2. Если АРтР6< Р,„ спим = Рт орб, то тело является парамагнетиком.
  • 3. При условии, когда АРт ор6 т СПМ1| = Рт ор6, в теле происходит смена положительного знака магнитного спинового числа наиболее подвижных внешних электронов на отрицательный, т. е. изменяется спин и направление собственного магнитного поля этих парных электронов в атомах и в результате получается диамагнетик.
  • 4. Если ДЛлорб» Рт спин = Ли орб. то получается свсрхдиамагнетик.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >