1 ‒ Распределение в изолированных атомах; 2 ‒ распределение при обобществлении электронов.

знак обменного интеграла зависит от соотношения размеров электронных оболочек и расстояния между атомами. Он же и определяет, какая ориентация спинов у электронов ‒ параллельная или антипараллельная ‒ является энергетически более выгодной.

При обменная энергия будет отрицательной, если спины и электронов, участвующих в образовании обменной связи, будут антипараллельны 0. В этом случае антипараллельная ориентация спинов энергетически выгодна, система более устойчива. Это соответствует возникновению сил притяжения. Важно помнить, что кулоновская энергия, энергия электростатического взаимодействия электронов между собой, с ядрами и ядер между собой, , и уменьшение энергии системы происходит в основном за счет энергии обменного взаимодействия .

При обменная энергия системы будет отрицательной и энергия системы в целом будет уменьшаться при параллельном расположении спинов , и электронов, участвующих в образовании обменной связи 0.

На рис. 11.5 показана зависимость обменного интеграла I от отношения межатомного расстояния к диаметру незаполненной оболочки 3d для переходных металлов группы железа. Если расстояние между

Рис. 11.5. Зависимость обменного интеграла от отношения межатомного расстояния к диаметру незаполненной электронной оболочки .

атомами в несколько раз превышает диаметр незаполненной электронной оболочки, энергия обменного взаимодействия невелика. Обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и создать упорядоченное распределение спинов. В этом случае вещества проявляют парамагнитные свойства [40, 41].

С уменьшением расстояния между атомами обменный интеграл возрастет, силы обменного взаимодействия увеличиваются и формируют упорядоченную структуру спинов. Возникает параллельное распределение спинов, присущее ферромагнетикам.

При обменный интеграл изменяет знак и энергетически выгодным становится антипараллельное расположение спинов электронов: возникает антиферромагнитное состояние вещества.

Таким образом, для возникновения ферромагнетизма необходимо наличие в атомах внутренних недостроенных электронных оболочек или подоболочек, положительный знак обменного интеграла и выполнение неравенства . Этим условиям удовлетворяют железо, кобальт, никель и ряд редкоземельных элементов ‒ гадолиний, диспрозий, гольмий, эрбий, торбий и тулий, проявляющих ферромагнитные свойства при низких температурах. Вообще из сотни элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева 42 переходные и примерно в половине из них обнаружили ферро- и антиферромагнетизм. Остальные переходные металлы ‒ это парамагнетики такого же типа, как и щелочные металлы, но с большей парамагнитной восприимчивостью и с более сложной температурной зависимостью.

Кроме чистых переходных металлов, ферро- и антиферромагнетизм наблюдается в многочисленных металлических сплавах и неметаллических соединениях. Обязательным условием существования в этих сложных кристаллах ферро- и антиферромагнетизма является присутствие хотя бы одного переходного элемента.