Диамагнетизм

Диамагнетизм обнаруживают только те вещества, атомы которых не обладают результирующим магнитным моментом. При возникновении магнитное поле является переменным. Переменное магнитное поле, согласно теории электромагнетизма, вызывает вихревое электрическое поле. Электрическое поле, в отличие от магнитного, совершая работу над электронами в атомах, изменяет их кинетическую энергию. Работа магнитного поля при смещении электрона

где - сила Лоренца.

После установления стационарного магнитного поля вихревое электрическое поле исчезает. Движение электронов в атомах приобретает установившийся характер.

Электрон, быстро вращающийся по орбите в атоме, подобен магнитному диполю. На магнитный момент диполя в магнитном поле действует момент силы

(7.19)

За время механический момент орбитального движения электрона изменится на величину

(7.20)

Согласно (7.16),

(7.21)

Подставим (7.21) в (7.19), а результат – в (7.20), получим

(7.22)

где

(7.23)

Как известно из курса механики, уравнение (7.22) описывает прецессию (медленное вращение) момента быстро вращающегося тела с угловой скоростью из (7.23) под действием момента силы (см. рис. 7.10). У нас тело представляет собой электрон, движущийся по орбите в атоме.

Рис. 7.10

Частоту из (7.23) называют частотой ларморовской прецессии. Прецессия вызывает дополнительное к орбитальному движение электрона по окружности радиуса со скоростью . Это движение вызывает дополнительный круговой ток силой , а ток - дополнительный (индуцированный или наведенный) магнитный момент

(7.24)

где знак минус указывает, что .

Угол характеризует ориентацию орбиты электрона относительно направления магнитного поля. Радиус окружности изменяется при движении электрона по орбите радиуса и зависит от угла . Если считать, что все возможные значения угла равновероятны, то расчет дает, что среднее значение

Усредняя (7.24) по , найдем

(7.25)

Проведя суммирование по всем электронам в атоме, найдем индуцированный момент атома , где - зарядовое число атома. Далее, найдем молярную магнитную восприимчивость диамагнетика:

(7.26)

где - число Авогадро.

Так как радиусы электронных орбит м, то 1/моль, что согласуется с экспериментальными данными. Так как , то намагничение диамагнетика вызывает ослабление индукции магнитного поля в нем. Формула (7.26) показывает, что диамагнитная восприимчивость не зависит от температуры диамагнетика, что было открыто экспериментально П. Кюри в 1885 г. Объяснение: ларморовская прецессия электронов устанавливается настолько быстро, что тепловое движение атомов и столкновения между ними не успевают заметно нарушить эту прецессию.