Физическая энциклопедия - диамагнетизм

(от греч. dia -приставка, означающая здесь расхождение (силовых линий), и магнетизм), свойство в-ва намагничиваться навстречу направлению действующего на него внеш. магн. поля. Д. свойствен всем в-вам. При внесении тела в магн. поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона эл.-магн. индукции, возникают индуцированные круговые токи, т.

е. добавочное круговое движение эл-нов. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно Ленца правилу, противоположно внеш. магн. полю (независимо от того, имелся ли у атома собств. магн. момент или нет и как он был ориентирован). Намагниченность, связанная с Д.

, обычно невелика; она значительно меньше, чем обусловленная ферромагнетизмом, антиферромагнетизмом или электронным парамагнетизмом. У чисто диамагнитных в-в (диамагнетиков) электронные оболочки атомов (молекул) не обладают пост. магн. моментом. Магн. моменты эл-нов в таких атомах в отсутствии внеш. магн. поля взаимно скомпенсированы.

В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками, напр. в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота. Удлинённый образец диамагнетика в строго однородном магнитном поле ориентируется перпендикулярно к силовым линиям поля. Из неоднородного магнитного поля он выталкивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магн. момент М, приобретаемый единицей объёма диамагн. тела, пропорционален напряжённости внеш. поля Н, т.е. М=cН. Коэфф. c наз. магнитной восприимчивостью и имеет отрицат. знак (т. к. М и Н направлены навстречу друг другу). Обычно для диамагнетиков рассматривают восприимчивость 1 моля в-ва (молярную восприимчивость) c, она мала (=10-6).

В изолиров. атомах токи, создающие Д., имеют простой хар-р. Вся совокупность эл-нов изолиров. атома приобретает под действием внеш. магн. поля Н синхронное вращат. движение вокруг оси, проходящей через центр атома параллельно направлению H. Это вращение эл-нов атома наз. Лармора прецессией. Вклад каждого эл-на в диамагн. восприимчивость ce изолиров.

атома равен: где е заряд эл-на, m его масса покоя, с скорость света в вакууме, r2 ср. квадрат расстояния эл-на от ядра атома. Из (1) видно, что наибольший вклад в диамагн. восприимчивость c дают наиб. удалённые от ядра эл-ны. Если пренебречь влиянием близких к ядру эл-нов, то r2 можно рассматривать как значение ср.

квадрата радиуса внеш. оболочки атома r2. Т. о., зная, напр., диамагн. восприимчивость 1 моля в-ва и число ne эл-нов в его внеш. оболочке, можно при помощи ур-ния (1) прибл. определить размеры атомов и ионов: r=?r2=0,598•10-5 ?c/ne. (2) Так, для гелия ?c?=1,9•10-6, nе=2 и r=0,58•10-6, что близко к значениям, найденным др. методами. Выражение (1) позволяет теоретически рассчитать диамагн.

восприимчивость совокупности изолиров. атомов (напр., одного моля в-ва), если известно число зл-нов в атомах и пространственное их распределение. При темп-pax, недостаточных для возбуждения более высоких энергетич. уровней атомов, Д. практически постоянен (не зависит от темп-ры). Если атомы не изолированы друг от друга и сильно взаимодействуют между собой, напр.

в молекулах или кристаллах, то электронные оболочки в таких атомах деформируются и наблюдаемый Д. оказывается меньше, чем у изолиров. атомов. Однако межат. связь не всегда проявляется только в уменьшении Д. В нек-рых случаях валентные эл-ны при образовании молекулы или кристалла приобретают возможность перемещаться от одного атома к другому.

Этой особенностью обладают, напр., молекулы ароматич. в-в, в к-рых имеются замкнутые кольца из атомов (напр., бензольное кольцо). В этих молекулах под действием внеш. магн. поля возникают замкнутые электрич. токи по периферии колец. Поскольку магн. момент индуцированного кольцевого тока направлен перпендикулярно плоскости кольца, то диамагн.

восприимчивость ароматич. молекулы оказывается наибольшей, если внеш. поле направлено перпендикулярно к плоскости кольца, и наименьшей, если оно параллельно этой плоскости: В металлах и ПП под воздействием внеш. магн. поля эл-ны проводимости начинают двигаться по спиральным квантованным орбитам, что также вызывает небольшой Д.

(см. ЛАНДАУ ДИАМАГНЕТИЗМ). В нек-рых в-вах, где эти орбиты охватывают много атомов, диамагнетизм Ландау особенно велик, напр, в висмуте и графите c достигает(200-300) •10-6. В графите, кристаллизующемся в виде гексагональных призм, свободное движение эл-нов происходит гл. обр. в плоскостях, параллельных плоскости основания призмы. Поэтому диамагн.

восприимчивость графита оказывается очень большой (-260•10-6) в направлении оси призмы и крайне малой (-6•10-6) в направлениях, параллельных основанию призмы. Во всех рассмотренных случаях диамагн. восприимчивость не зависит от напряжённости поля. Однако при очень низких темп-pax в металлах и ПП наблюдается периодическое (осцилляционное) изменение восприимчивости при плавном увеличении напряжённости поля (см.

ДЕ ХААЗА ВАН АЛЬФЕНА ЭФФЕКТ). Наибольшее по абс. величине значение диамагн. восприимчивости имеют сверхпроводники. Для них c=1/(4p), а магнитная индукция равна нулю, т. е. магн. поле не проникает в сверхпроводник. Д. сверхпроводников обусловлен не внутриатомными, а макроскопическими поверхностными токами. .