Если парамагнетик представляет собой неметаллический кристалл, то простым суммированием магнитных моментов входящих в него атомов определить парамагнитный момент образца обычно невозможно, за исключением кристаллов со слабой межионной связью, каковыми являются ионные соли редкоземельных элементов.
В твердых телах электроны внутренних оболочек не вносят вклад в орбитальный магнитный момент атомов. При описании этого обстоятельства применяют термин - орбитальные моменты "заморожены" межатомными силами. Такая ситуация имеет место в случае солей металлов переходной группы железа, где весь магнетизм объясняется наличием электронных спинов.
В случае солей переходных металлов групп платины и палладия
(соли 4d- и 5d-металлов) оказываются "замороженными" не только орбитальные, но и спиновые моменты количества движения.
Завершая краткий обзор парамагнетизма твердых тел, остановимся на свойствах металлов, не относящихся к ферромагнитным. На магнитную восприимчивость металлов оказывают влияние свободные электроны, достаточно удаленные от ядер и экранированные внутренними оболочками, полностью или частично заполненными электронными. Установлено, что свободные электроны металлов дают как диамагнитный, так и парамагнитный вклады в магнитную восприимчивость, но превалирование парамагнитного вклада обеспечивает парамагнитный характер суммарного свойства. Например, все щелочные металлы парамагнитны, хотя их решетка диамагнитна. Причем как диамагнетизм, так и парамагнетизм свободных электронов практически не зависят от температуры.
Диамагнетизм валентных электронов объясняется спиралевидной от соударения до соударения траекторией электрона при наличии магнитного поля. Вызываемое этим движением зарядов магнитное поле будет ориентировано против внешнего, намагничивающего.
П a p a м а г н e т и з м валентных электронов рассматривают с позиции зонного строения металлов. С учетом наличия спиновых магнитных моментов, равных одному магнетону Бора mВ, электронное строение валентной зоны металла при 0К и в отсутствие внешнего поля можно представить как на рис.2.5.4,а в виде двух полузон одинакового заполнения.
До включения магнитного поля функции плотности состояний N(Е) имеют вид одинаковых парабол, то есть N+(Е) = N-(E) = 1/2N(Е). Во внешнем магнитном поле происходит смещение полузон друг относительно друга на величину 2mBB (рис.2.5.4,б). Стремление системы к минимуму энергии приводит к переходу части электронов из одной полузоны в другую с изменением ориентации спина (рис.2.5,4,в), в результате возникает магнитный момент, направленный по полю:
. (2.5.17)
Рис.2.5.4.Парамагнитная восприимчивость валентных
электронов при Т=0K: а – внешнее магнитное поле
отсутствует; б - смещение полузон в момент включения внешнего магнитного поля;
в - перераспределение электронов в полузонах с изменением направления спина
Если функция плотности электронных состояний известна, то парамагнитная восприимчивость электронного газа при 0К равна
(2.5.18)
где N - число электронов проводимости в единице объема металла.
Поскольку
EF = kTF и TF>>Tпл- температуры плавления металла,
то парамагнитная восприимчивость 
электронов
проводимости практически не зависит от температуры во всем интервале существования
металла в конденсированном состоянии. Этот вывод был сделан Паули, а
парамагнетизм называется паулиевским спиновым парамагнетизмом. Л.Д.Ландау
показал, что диамагнитная восприимчивость электронного газа составляет треть от
его парамагнитной восприимчивости:
(2.5.19)
Суммарный диамагнетизм металлов объясняется как следствие малой плотности состояний N на уровне Ферми (например, у бериллия), другой причиной является значительный диамагнитный момент внутренних оболочек в сочетании с большими радиусами электронных орбит (Cu, Au, Ag, Ga и др.).
В полупроводниках магнитная проницаемость является сложной функцией как температуры, так и, в особенности, химического состава. Магнитную восприимчивость описывают суммой
cпп = cа + cL + cS + cT, (2.5.20)
где ca - атомная восприимчивость, причем у атомов элементарных полупроводников (Ge, Si) постоянный магнитный момент må равен 0 как в свободном состоянии, так и в кристаллической решетке.
При Т=0К идеальные кристаллы у этих атомов диамагнитны. Восприимчивость cL обусловлена как электронами в зоне проводимости, так и дырками в валентной зоне. Восприимчивость cS зависит как от типа примеси - акцепторная или донорная - так и от температуры (при неполной ионизации примеси). Термические дефекты решетки, дислокации и поверхностные энергетические уровни обусловливают существование магнитной восприимчивости cT, зависящей от температуры.
У многих твердых парамагнетиков температурная зависимость магнитной восприимчивости описывается законом Кюри-Вейсса, а не законом Кюри:
(2.5.21)
q - это некоторая температура, положительная или отрицательная для различных веществ, зависящая от многих факторов. При температуре Т£q вещество проявляет себя как ферромагнетик или антиферромагнетик.
Изучение магнитных характеристик диамагнитных и парамагнитных веществ позволяет получить ценную информацию о химических связях, концентрации носителей заряда, состоянии атомов примеси, виде энергетического спектра.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.