Природа обменного взаимодействия

Элементы с недостроенными внутренними оболочками называются переходными.

На рисунке 3.1 схематично показана структура атома железа, который содержит 26 электронов в четырёх оболочках. Цифры указывают количество электронов на подоболочках, направления спинов условно обозначены «+» и «-». На внешней 4s-оболочке находится два электрона со спинами, имеющими противоположное направление (спины скомпенсированы). Однако на внутренней подоболочке 3d находится шесть электронов, из них у четверых электронов спины не скомпенсированы. Иными словами, эта подоболочка является недостроенной. Между соседними атомами возникает обменное взаимодействие, характеризуемое значением интеграла обменной энергии. Оказывается, что величина и знак обменной энергии А зависит от отношения расстояния между атомами к радиусу незаполненной оболочки (рисунок 3.2). схематичный график зависимости А(a/r) показан на рисунке 3.3. различные участки этой зависимости характеризуют резко различающиеся друг от друга состояния магнитных сред, рассмотрены ниже.

1) Ферромагнитное состояние. Интеграл обменной энергии положителен лишь при a/r > 3.2. Этому соотношению отвечают кристаллы элементов Gd, Dy, Ho, Er,Tb, Tm. Положительный знак обменной энергии означает, что энергетически выгодным состоянием для системы является такое, при котором электронные спины незавершённых оболочек соседних атомов одинаково направлены (имеют одинаковый знак проекций спина на выделенную пространственную ось). Магнетики, обладающие таким свойством называются ферромагнетиками. Распространяя это свойство на каждую пару атомов, можно прийти к выводу, что спины электронов на незавершённых внутренних оболочках у всех атомов вещества стремятся сориентироваться в одном направлении, и при этом достигается минимум энергии тела.

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

+1 +1 +3 +1 +3 +5 +1

26

-1 -1 -3 -1 –3 –1 -1

Рисунок 3.1 – Электронные оболочки в атоме железа

r r

a

Рисунок 3.2 – Размеры, определяющие величину обменной энергии

А

0 1 2 3 4 5 6 7 8 a/r

Рисунок 3.3 – Зависимость обменного интеграла от отношения межатомного расстояния a к радиусу r незаполненной электронной оболочки

В итоге получается, что ферромагнетик в любой своей области спонтанно намагничен практически до насыщения I = Is = const. В то же время, опыт показывает, что равновесное состояние ферромагнетиков характеризуется отсутствием среднего общего момента и собственного магнитного поля. Это может быть объяснено лишь тем, магнетик «разбит» на довольно протяжённые области (10-5 - 10-2 см) – домены, имеющие каждый свою ориентацию вектора Is. Этот вектор резко изменяет направление при переходе от домена к домену. Такая структура со взаимнокомпенсирующими моментами является энергетически выгодной, так как она не генерирует внешнее магнитное поле, которое в противном случае, являлось бы значительным резервуаром энергии.

Направления спонтанной намагниченности доменов определяются кристаллографическими направлениями, вдоль которых энергия обменного взаимодействия максимальна. Например, для железа, имеющего кубическую объемно-центрированную структуру, такими направлениями являются шесть направлений, соответствующих трём взаимно перпендикулярным осям типа [100], для гранецентрированной решетки никеля – восемь, направлений, соответствующим осям типа [111], для гексагональной решётки кобальта – лишь два направления, соответствующих оси призмы [0001]. Эти направления (оси) называются направлениями (осями) лёгкого намагничивания (ОЛН). В то же время следует выделить и направления (оси) трудного намагничивания (ОТН). Энергию, затрачиваемую внешним магнитным полем на поворот вектора намагниченности из направления лёгкого намагничивания в направление трудного намагничивания, называют энергией естественной магнитной кристаллографической анизотропии.

2) Антиферромагнитное состояние. При условии a/r < 3.2 интеграл обменной энергии отрицателен. Этому соотношению отвечают кристаллы элементов Mn, Cr, а также редкоземельные элементы Ce, Pr, Nd, Sm, Eu. Для таких магнетиков, называемых антиферромагнетиками, энергетически выгодна антипараллельная ориентация соседних спинов. В силу этого, у антиферромагнетиков имеет место взаимная компенсация магнитных моментов атомов в любом участке кристалла. Следует отметить, что в отличие от парамагнетиков, в которых компенсация моментов обусловлена их хаотичным расположением, в антиферромагнетиках компенсация связана со строгим порядком в ориентации моментов.

Кроме перечисленных простых кристаллов, существует большое количество сложных по составу антиферромагнетиков – оксиды, хлориды, фториды, сульфиды, карбонаты переходных элементов. В кристаллах сложных антиферромагнетиков в отличие от элементарных кристаллов, обменное взаимодействие непосредственно между магнитоактивными атомами невозможно из-за относительно больших расстояний между ними. В таких веществах решающую роль играет косвенное обменное взаимодействие, осуществляемое при участии непереходных элементов. В оксиде марганца, например, ионы кислорода играют роль «переносчика» спиновых взаимодействий. Внешняя 2-p оболочка кислородного иона O2- полностью заполнена электронами, причём спиновые моменты попарно скомпенсированы. Вследствие того, что внутренняя 3d- оболочка катиона марганца заполнена не полностью, возможна передача электрона с оболочки кислорода на эту оболочку. Но при этом должно выполняться правило Хунда, в соответствии с которым спин переходящего электрона антипараллелен спиновому моменту 3d-оболочки. Отдавая электрон, ион кислорода приобретает магнитный момент и участвует в обменном взаимодействии с другим соседним катионом марганца. Благодаря сильному перекрытию электронных оболочек (a/r < 3.2) это взаимодействие носит антиферромагнитный характер. Конечным результатом такого взаимодействия является антипараллельная ориентация магнитных моментов соседних катионов.

Из-за низкой магнитной восприимчивости антиферромагнетики не находят приминения на практике в качестве магнитных материалов. Однако большое значение имеют некоторые так называемые нескомпенсированные антиферромагнетики, или ферримагнетики.