2.1.2 Элементарные носители магнетизма

Магнитные свойства вещества обусловливаются главным образом магнитными моментами электронов. Магнитные моменты ядерных частиц атома (протонов, нейтронов) значительно меньше и их можно не учитывать.

Электрон, вращающийся вокруг ядра атома по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Поскольку это движение аналогично круговому току, возникает магнитное поле и движение электрона можно охарактеризовать орбитальным магнитным моментом.

Электроны наряду с полным зарядом е и массой m₀ обладают еще одним внутренним свойством, именуемым спином. Спин характеризует скорость вращения электрона вокруг собственной оси, так что проекция его механического момента на любое заданное направление в пространстве может иметь только два дискретных значения ± /2, где – постоянная Планка. Спиновое вращение электрона является причиной возникновения элементарного магнитного момента _B, названного магнетоном Бора:

Ам2.

(2.8)

Если величина спинового магнитного момента электрона является его внутренним свойством, то направление спина, как и направление вектора спинового магнитного момента, зависит от положения электрона в атоме.

Каждому электрону в атоме соответствует некоторый энергетический уровень, определяемый комбинацией значений трех квантовых чисел (n, l, m) и так называемой орбиталью. Понятием орбиталь в квантовой механике заменяется классическое представление об орбите электрона.

Главное квантовое число n может принимать значения 1, 2, 3, 4, ... и характеризует номер электронной оболочки, на которой находится электрон.

Орбитальное квантовое число l указывает на форму орбитали и может иметь целочисленные значения от 0 до (n-1). Орбитали с l=0, 1, 2, 3 также называются s-, p-, d- и f-орбиталями. С орбитальным движением электрона связано возникновение орбитального магнитного момента _l, единицей квантования которого также является магнетон Бора:

.

(2.9)

Для каждого заданного l существует (2l+1) орбиталей, обладающих в отсутствие внешнего магнитного поля одинаковой энергией и отличающихся только направлением орбитального момента движения.

Возможные варианты пространственной ориентировки орбитали характеризует магнитное квантовое число m, принимающее целочисленные значения от -l до l, включая нуль. При взаимодействии электрона атома с внешним магнитным полем угол между орбитальным магнитным моментом и направлением магнитного поля принимает дискретные значения, зависящие от магнитного квантового числа.

Определенный порядок в электронной структуре атома подчинен принципу Паули, в соответствии с которым одну орбиталь с конкретной комбинацией трех квантовых чисел могут занимать не более чем два электрона при условии, что они имеют противоположные спины. Принцип Паули лимитирует максимально возможное количество электронов на оболочке  не больше 2n², и максимальное количество электронов с конкретным значением орбитального квантового числа l  не больше 2(2l+1). Согласно этому принципу электронные оболочки с полностью заполненными орбиталями не имеют собственного магнитного момента, поскольку спиновые магнитные моменты двух электронов заполненной орбитали компенсируют друг друга из-за антипараллельной ориентации, а каждому электрону, обладающему орбитальным магнитным моментом, находится парный электрон в другой орбитали, имеющий равный по величине, но противоположный по направлению магнитный момент.

Группа элементов, атомы которых не имеют собственных магнитных моментов, называется диамагнетиками. Элементы, в атомах которых магнитные моменты электронов скомпенсированы не в полной мере, должны быть отнесены к ферромагнетикам или парамагнетикам, в зависимости от наличия или отсутствия определенного атомного магнитного порядка в кристаллах, о чем речь пойдет ниже.

Следует заметить, что при образовании ионных соединений происходит заполнение электронных оболочек ионов в результате передачи электронов от одного атома другому. Поэтому минералы с чисто ионной связью, как правило, диамагнетики. Рисунок 2.1 поясняет механизм заполнения орбиталей иона хлора при образовании галита.

Рисунок 2.1 – Заполнение орбиталей внешних электронных оболочек

натрия и хлора при образовании галита. Кружками показаны орбитали,

стрелками – направления спиновых магнитных моментов

У натрия на s-орбитали третьей оболочки находится один электрон, и его спиновый магнитный момент не скомпенсирован.

У атома хлора не хватает одного электрона на 3p-орбитали, и здесь нескомпенсированным оказывается как спиновый, так и орбитальный магнитные моменты электрона. Поэтому атомы натрия и хлора парамагнитны. Орбиталь 3р у хлора более энергетически выгодна в сравнении с 3s-орбиталью натрия. Поэтому при химическом соединении 3s-электрон натрия переходит к атому хлора на место полузанятой 3s-орбитали, подчиняясь диктату ее квантовых чисел: спиновый магнитный момент его должен быть антипараллельным спину парного электрона орбитали, а величина и направление орбитального магнитного момента – одинаковыми. У ионов натрия и хлора оказались полностью заполненными соответственно две и три электронные оболочки, все магнитные моменты электронов скомпенсированы, и галит обнаруживает диамагнитные свойства, т. е. в отсутствие внешнего магнитного поля не обладает магнитным моментом.

Способность образовывать ионные связи у разных элементов разная, что также определяется особенностями электронной структуры атомов.

Орбитали заполняются электронами в порядке возрастания их энергии. Минимальную энергию имеют те орбитали, для которых сумма (n+1) оказывается наименьшей, а при одинаковой сумме – те орбитали, у которых главное квантовое число меньше. Это правило отражает реальную последовательность заполнения электронами орбиталей:

1s, 2s, 2р, 3s, 3р, 4s, 3d, 4р, 5s, 4d, 5p.

Данную последовательность иллюстрирует таблица 2.1.

Таблица 2.1 – Энергия орбиталей натрия

п	l	Орбиталь	Энергия, эВ	Число электронов	2(2l+1)
3	0	3s	-5,1	1	2
2	1	2р	-36,5	6	6
2	0	2s	-64,0	2	2
1	0	Is	-1060,0	2	2

В последовательности заполнения орбиталей прослеживаются два порядка. В основном атомы элементов просто устраивают свои электронные слои, последовательно заполняя внешние при полностью заполненных внутренних. При образовании ионов у этих элементов, как мы видели на примере натрия и хлора, внешний слой или имеет максимальное возможное число электронов, или не имеет их вовсе, следствием чего являются полностью скомпенсированные магнитные моменты электронов. Начиная же с элементов четвертого периода периодической системы такая простая последовательность нарушается: вначале заполняются s- и р-орбитали внешнего слоя, а затем d-, f-орбитали внутреннего. Следствием такого порядка заполнения орбиталей является то, что у группы элементов и атомы, и ионы имеют незаполненные электронные слои и нескомпенсированные магнитные моменты электронов. Это так называемые переходные элементы. Наиболее распространенными из них являются элементы группы железа с частично незаполненными 3d-орбиталями: Ti, V, Cr, Ni, Со. Эти элементы и их соединения в основном и обусловливают пара- и ферромагнетизм горных пород.

Рассмотрим структуру незаполненных орбиталей железа – наиболее распространенного в горных породах переходного элемента. У атома железа на внешней 4s-орбитали находятся 2 валентных электрона, а на пяти внутренних 3d-орбиталях – 6 электронов. Правило Ханда утверждает, что прежде чем на одну орбиталь попадут два электрона, необходимо, чтобы на каждой орбитали находилось по одному электрону.

Рисунок 2.2 – Распределение спиновых магнитных моментов