Замораживание - орбитальный момент
Cтраница 2
Величина J остается хорошим квантовым числом и в твердых диэлектриках, где носителями магнитных моментов являются ионы лантанидов и актинидов. Однако для ионов группы железа ( Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Си) за счет сильного влияния внутрикристаллического поля происходит замораживание орбитального момента. Связано это с тем, что магнитные свойства ионов группы железа обусловлены внешней Зс / - оболочкой. Магнетизм ионов лантанидов и актинидов обусловлен внутренними 4 / - и 5 / - оболочками, которые заэкранированы от влияния кристаллического поля внешними электронами. [16]
В свободном атоме электроны двигаются в поле со сферически симметричным потенциалом, но в молекуле или твердом теле потенциал уже не является сферически симметричным. Результатом этой более низкой симметрии окружения является замораживание орбитального момента электрона; в данных условиях орбитальный момент уже не является хорошим квантовым числом и его среднее значение равно нулю. Все же некоторый вклад орбитального движения сохраняется, и это вызывает положительное или отрицательное отклонение g - фактора от значения 2 0023 для свободного спина. [17]
Ван Флек [6] и Бете [7] заложили основы количественного описания этих взаимодействий, развивая теорию, которая сейчас известна как теория кристаллического поля. Эта теория имеет первостепенное значение для нашего понимания магнетизма в целом и результатов экспериментов по парамагнитному резонансу в частности. Первый успех теории кристаллического поля связан с объяснением эффекта замораживания орбитального момента для ионов элементов группы железа. [18]
 |
Парамагнетизм никеля выше точки Кюри ( закон Кюри - Вейса. [19] |
Во многих парамагнетиках, содержащих ионы группы Fe, наблюдается своеобразное замораживание орбитальных моментов иона: под влиянием электрич. [20]
Элементы от La до Eu причисляют к легким, а от Gd до Lu - к тяжелым редкоземельным элементам. Расположенная в глубине атома незастроенная 4 / - оболочка экранирована от влияния кристаллического поля и замораживания орбитального момента атома не происходит. Поэтому магнитный момент в атомах РЗМ определяется как спиновым, так и орбитальным магнитными моментами 4 / - электронов. [21]
Магнитный момент атома в веществе может отличаться от значения в изолированном ( свободном) атоме. Средний же момент, приходящийся на отдельный атом в кристалле железа, составляет только 2 21 ц в. Такое распределение электронов в атоме железа показывает, что при образовании кристалла в связи с коллективизацией внешних 45-электронов и частично 3 -электронов ( ибо они расположены далеко от ядра) происходит уменьшение магнитного момента атома из-за дополнительной компенсации 4 -электроиами нескомпенсированных Sd-электронов. Другая причина уменьшения их атомного момента заключается в явлении замораживания орбитальных моментов ( практически их исчезновении) вследствие воздействия соседних ионов кристаллической решетки на каждый данный ион. [22]
Мзыть получено при рассмотрении расщепления орбитальных уровней в кристаллическом поле. Так как оно больше, чем мультшшетное расщепление ( по меньше, чем расщепление, обусловленное спин-сптгаовым взаимодействием пли взаимодействием орбита - орбита), или, другими словами, так как взаимодействие кристаллического поля с электронной орбитой больше спнн-орбиталыюго взаимодействия, то в первом приближении можно рассматривать только орбитальные состояния, а воздействие спинов считать возмущенном. L-S, появляется только во втором приближении. Если папнизший орбитальный уровень синглетен, то он не является магнитным ( по отношению к орбитальным состояниям); в этом случае имеется только спиновый магнетизм. Следующее приближение учитывает воздействие высших орбитальных уровней, которое будет мало, если они значительно удалены. Такое замораживание орбитальных моментов наиболее ярко выражено в первой половине элементов группы железа, где для большинства попов обнаружено хорошее согласие величин магнитных моментов со значениями Бозе - Стонера. Основной причиной этого является значительно большая величина константы сипн-орбиталь-ного взаимодействия X во второй половине группы. [23]
Некоторые недоразумения, возникающие в терминологии, относящейся к области парамагнитного резонанса, заставляют автора начать изложение материала книги с замечаний, может быть, даже несколько педан тичных. Область физики, которой посвящена эта книга, называют электронным парамагнитным резонансом, или электронным спиновым резонансом. Под термином парамагнитный резонанс, строго говоря, понимается магнитный резонанс в системе постоянных магнитных ди-польных моментов любой природы. Последнего мы здесь касаемся лишь бегло, поскольку он не является центральной темой настоящей книги. Электронный спиновый резонанс более четко выражен, чем ядерный, но его интерпретация часто бывает затруднена, так как, помимо спинового, в электронный магнитный дипольныи момент вносит свой вклад и электронный орбитальный момент. Даже известное явление замораживания орбитального момента, имеющее место для ионов группы железа, не ликвидирует полностью вклада орбитального момента в магнитный момент. [24]
Решающую роль играют при этом кристаллическое поле и обменные взаимодействия. В определенной области температур обменные взаимодействия могут привести к спонтанному упорядочению магнитных моментов, поэтому при обсуждении магнито-упорядоченных состояний целесообразно начать прежде всего с них. Влияние кристаллического поля на магнитный момент атома тесно связано с воздействием этого поля на орбитальное движение электронов и на момент количества движения атома. Оно оказывается различным в зависимости от того, какую величину - сильную, промежуточную или слабую - имеет кристаллическое поле ( см. стр. Слабое кристаллическое поле не нарушает спин-орбитальную связь, и полный магнитный момент остается таким же, как и у свободного иона. Однако кристаллическое поле может частично снять вырождение отдельных мультиплетных уровней и изменить расстояние между ними, что должно быть учтено при точных статистических расчетах парамагнитной восприимчивости и других величин. Наиболее интересен для нас случай промежуточного кристаллического поля; действие поля на магнитный момент в этом случае является значительно более сильным и приводит к так называемому замораживанию орбитального момента. [25]
Страницы: 1 2