Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

атомов при повышении температуры. Сначала колебания в такт, затем начало расстройки и, наконец, «плавление» магнитного по­ рядка. Начиная от некоторой определенной температуры, которая носит название точки Кюри, в честь выдающегося французского ученого Пьера Кюри, порядок в расположении стрелок исчезает и вещество теряет свои магнитные свойства, ферромагнетик стано­ вится парамагнитным веществом. У железа точка Кюри лежит при 770 °С, у кобальта при 1115 °С, у никеля при 358 °С, у гадолиния при 15 °С.

Рис. 293.

Вантиферромагнетиках спины атомов стремятся расположиться

впорядке, но антипараллельно. Структура домена окиси марганца, являющейся антиферромагнетиком, изображена на рис. 293. Стре­ лочка, символизирующая момент, принадлежит марганцу. Из рисунка видно, что химический период повторения структуры в два раза меньше магнитного. При абсолютном нуле каждый атомный магнит антиферромагнетика окружен атомами с противоположно направленными моментами. Так же как у ферромагнетиков, этот порядок разрушается при определенной температуре Кюри и выше этой температурной точки вещество ведет себя как парамагнетик.

Косвенным доказательством антиферромагнитных свойств яв­ ляется установление различных аномалий в поведении свойств тела при прохождении через точку Кюри. Так как точка Кюри есть точка фазового перехода второго рода, то ряд свойств терпит в ней скачок или излом.

Прямое доказательство стало возможным методами нейтронной дифракции. Рассеяние нейтронов решеткой, показанной на рис. 293, чувствительно не к химическому, а к магнитному периоду повто­ ряемости структуры.

Расположение доменов в кристалле. Рассматривая описанным выше порошковым методом доменную структуру монокристаллов

ферромагнитных веществ, мы обнаруживаем, что домены никогда не охватывают слишком больших областей, они обычно не превос­ ходят линейных размеров порядка 0,01 мм. Мы находим, кроме того, у кубических ферромагнетиков чрезвычайно симметричные сочетания разнонаправленных доменов. Оба обстоятельства тре­

Л S Ж S

в)

Рис. 294.

должна была привести к тому, чтобы весь монокристалл превратился

водин домен.

Л. Д . Ландау и Е. М. Лифшиц показали, что доменная струк­ тура такого типа, как было представлено на рис. 291, является есте­ ственным результатом существования различных форм энергии ферромагнитного тела. Идею теории иллюстрирует рис. 294. Пер­ вая из схем соответствует одному домену, он обладает значитель­ ной магнитной энергией (1/8я) ^ Нъа\. Но уже на второй схеме эта

энергия понижена вдвое. В случае N параллельных доменов энер­ гия уменьшится примерно в N раз. Однако процесс деления будет выгоден до известного предела. В конце концов энергия погранич­ ных слоев превысит уменьшение энергии, связанное с делением кристалла на домены. Вполне понятна выгода конфигураций с за­ мыкающими доменами. В этом случае образуется замкнутый магнит­ ный поток и энергия поля вне кристалла равна нулю.

В случае кобальта, имеющего направление намагничения вдоль оси, мы встретимся с доменами, у которых моменты расположены только вдоль гексагональной оси. Нулевой магнитный момент тела в отсутствие внешнего поля будет достигнут тем, что половина

доменов будет иметь одно направление, а другая половина — про­ тивоположное.

Несколько слов о границе между доменами. Этот пограничный слой схематически представлен на рис. 295: в нем магнитные момен­ ты постепенно меняют свое направление. Толщина слоя опреде­ лится требованием минимума энергии. Здесь две противоположные

Рис. 295.

тенденции. С одной стороны, желательно растянуть невыгодный процесс переворачивания спинов на большую толщину, это будет выгоднее в отношении обменной энергии. С дру­ гой стороны, лучше этот процесс провести поско­ рее, так как в переходном слое спины направлены под углом к легким направлениям намагничения.

В поликристаллических веществах дело обстоит совершенно таким же образом (если только кристаллики не очень малы, так как при размерах меньше Ю - 6 см домены не образуются), каждое зерно может состоять из нескольких доменов. Однако, поскольку кристал­ лики разбросаны в теле своими кристаллографическими осями как угодно, постольку и магнитные моменты доменов принимают в пространстве любые направления. Таким образом, элементарные картинки намагничения, идущие еще со времен Ампера, правильно рисуют картину в случае поликристаллических веществ.

Гистерезисные явления, свойственные всем ферромагнитным материалам, возникают вследствие необратимого характера смеще­ ния доменных границ при намагничении.

До сих пор, говоря о строении твердых и жидких тел из атомов, мы не останавливались специально на роли электронов в создании свойств и структуры этих тел. Мы могли это делать по той причине, что электронное строение тел далеко не всегда выходит на первый план. В то же время в ряде вопросов физики невозможно обойтись без учета роли электронов.

Известно, что электроны в теле бывают двух «сортов»: связанные и свободные. Связанные электроны входят в состав определенного атома, иона или молекулы. Свободные электроны принадлежат всему кристаллу или всей жидкости и способны перемещаться между атомами с большой легкостью.

В молекулярных веществах картина электронного строения особенно отчетлива. В большинстве случаев обобществленные элект­ роны отсутствуют и все электроны не выходят за пределы «контуров» молекулы. Уже менее четко удается провести это разграничение электронов в ионных кристаллах. Даже в классических представи­ телях ионной связи нельзя полагать обмен электронов отсутствую­ щим полностью. Тем не менее в ионных кристаллах электроны, переходящие от иона к иону (обменные электроны), не ведут себя как свободные — их перемещение по кристаллу носит характер передачи электрона одним атомом соседнему. В кристаллах с гомеополярной связью это видно вполне отчетливо. Алмаз — изолятор, хотя электроны, связывающие атомы углерода, вовсе не привязаны к определенным местам; они передаются от атома к атому эстафет­ ным путем.

От всех перечисленных тел металлы отличаются достаточно резко. В этих телах мы сталкиваемся с электронами, по отношению к кото­ рым термин «свободный» вполне оправдан. Электроны металла пере-

мешаются в нем так, как частицы газа сквозь трубу, заставленную препятствиями. Роль препятствий играют атомные остатки (ионы), находящиеся в состоянии теплового колебания.

Наличие свободных электронов проявляется, прежде всего, в яв­ лениях проводимости и во всех опытах, связанных с вырыванием

Было бы, разумеется, неверным полагать, что разделение элект­ ронов на связанные и свободные носит абсолютный характер. На­ против, правильнее всего считать представления связанности и свободы крайними идеальными картинами. В твердом теле можно найти электроны всех степеней «освобожденности». Это было понято особенно отчетливо, когда в физике заняли надлежащее место полу­ проводники, заполнившие все промежутки между схемами си­ стемы идеально свободных электронов и системы из обменных электронов или системы из электронно-изолированных молекул. В настоящее время нам ясно, что любые переходные типы структур возможны.

Следует напомнить, что электрон в твердом теле, так же как и атомный электрон, подчиняется волновой механике. Представление об электроне как о «горошинке» справедливо в тех рамках, которые дает принцип неопределенности. Большей частью всякие сообра­ жения о траекториях электрона внутри металла физически бессо­ держательны. Описание электронного строения тела заключается, прежде всего, в указании распределения электронов по энергиям.

Теория показывает, что представлениями об электронах в теле как об электронном газе можно пользоваться лишь в очень условном смысле. Оказывается возможным рассмотрение электронов металла как газа некоторых фиктивных частиц, обладающих эффективной массой, зависящей от направления движения частицы. Этими заме­ чаниями мы хотим предупредить о крайне поверхностной аналогии между электронным газом и газом молекул.

§ 268. Энергетические уровни в твердом теле

Мы обсуждали ранее уровни энергии свободного атома. Система энергетических уровней, свойственная атому, находится опытным путем — наблюдением энергетических переходов при испускании или поглощении света. Если атом содержит много электронов, то каждый из них, входя в состав атома, получает разную четверку квантовых чисел; согласно принципу Паули, в данном квантовом состоянии может находиться лишь один электрон. Поэтому энерге­ тические уровни обладают ограниченной вместимостью. В «-состоя­ ниях могут находиться два электрона, в р-состояниях — шесть и т. д. Все эти данные могут быть получены из эксперимента, а также как следствия основных законов квантовой механики.