Ferromagnetyzm na poziomie atomów Podstawowe wiadomości o przyczynach zjawiska ferromagnetyzmu Bolesław AUGUSTYNIAK

Spis zagadnień Przypomnienie właściwości ‘makroskopowych’ ferromagnetyków Magnetyzm atomów ‘ferromagnetyków’ Magnetyzm atomów ‘ferromagnetyków’ w ciele stałym Modele ferromagnetyzmu Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 2

Podstawowe wiadomości... ferromagnetyzm [łac. ferrum ‘żelazo’, magneticus ‘magnetyczny’], zespół zjawisk związanych z samorzutnym równoległym uporządkowaniem momentów magnetycznych atomów lub jonów w niewielkich obszarach ciał, tzw. domenach; Stan uporządkowania ferromagnetycznego charakteryzuje się istnieniem spontanicznego namagnesowania; Istnienie struktury domenowej jest jedną z przyczyn występowania histerezy ferromagnetycznej; Ferromagnetyzm zanika powyżej temperatury Curie. http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3900562 Bolesław AUGUSTYNIAK

Tabela – właściwości magnetyczne ciał Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 4

Właściwości wybranych ferromagnetyków Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 5

Porównanie właściwości ‘magnetyków’ Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 6

Wpływ temperatury dla para i dla ferro Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 7 7

Wpływ temperatury na ferromagnetyk Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 8

Magnetyzm atomów ‘ferromagnetyka’ Bolesław AUGUSTYNIAK

Magnetyczne atomy 3d 4f Bolesław AUGUSTYNIAK [14]

Moment pędu i magnetyczny dla atomu Fe2+ Reguły liczb kwantowych: Główna liczba kwantowa - n Orbitalna liczba kwantowa l = n –1 Magnetyczna liczba kwantowa ml -l....0, +l Spinowa liczba kwantowa ms ½ , -1/2 Przykład: Fe2+ zjonizowany atom, 6 elektronów na powłoce 3d Powłoka 3d -> l = 2 L = 2 S = 2 S - suma czterech momentów spinowych , L są skompensowane Doświadczenie: 5,4 m B !!! Teoria: m = 4,9 m B [10] Bolesław AUGUSTYNIAK

Magnetyzm atomów 3d - teoria i doświadczenie [10] Bolesław AUGUSTYNIAK

Magnetyzm atomów 4f - teoria i doświadczenie [10] Bolesław AUGUSTYNIAK

Magnetyzm atomów ‘ferromagnetyków’ w ciele stałym Bolesław AUGUSTYNIAK

Zmiana momentu magnetycznego atomu faza gazowa -> kryształ.... Dlaczego tak jest? Ferromagnetyzm !!! [13] Bolesław AUGUSTYNIAK

Jeszcze raz ...atom Fe [3] Bolesław AUGUSTYNIAK

Wpływ zmiany odległości między atomami na właściwości elektryczne i magnetyczne Dla dużych odległości – brak oddziaływania Dla odległości ‘pośrednich’ – zachodzą na siebie funkcje falowe powłoki ‘s’ -> przewodnictwo + ferromagnetyzm (oddziaływanie na powłoki 3d Dla bardzo małych odległości – zachodzą także powłoki ‘o’ - antyferromagnetyzm Zmieniają się ‘rozkłady energetyczne’ elektronów Bolesław AUGUSTYNIAK

Wpływ proporcji między odległością atomów i rozmiarami powłoki 3d na ‘magnetyzm’ - wykres Bethe [3] Bolesław AUGUSTYNIAK

Dane do wykresu Bethe Bolesław AUGUSTYNIAK

Rozkład przestrzenny elektronów w atomie metalicznego żelaza R – połowa odległości między atomami Zachodzą na siebie bardzo powłoki 4s oraz nieco 3d ‘Częśc’ elektronów z 4s uczestniczy w przewodnictwie elektrycznym (wspólna dla wszystkich atomów) 3d shell 4s shell Bolesław AUGUSTYNIAK [3]

Zmiany obsadzenia powłok dla żelaza...( 8 elektronów) Atom swobodny powłoka 4s : 1 elektron ‘up’ i 1 ‘down’ powłoka 3d: 5 elektronów ‘up’ , 1 ‘down’ Atom w metalu Fe powłoka 4s : 0,3 elektron ‘up’ i 0,3 ‘down’ powłoka 3d: 4,8 elektronów ‘up’ , 2,6 ‘down’ Moment atomu + 4 mB ZMALAŁ !!! + 2,4 mB Bolesław AUGUSTYNIAK

Obsadzenia powłok dla niklu...(10 elektronów) Atom swobodny powłoka 4s : 1 elektron ‘up’ i 1 ‘down’ powłoka 3d: 5 elektronów ‘up’ , 3 ‘down’ Atom w metalu powłoka 4s : 0,3 elektron ‘up’ i 0,3 ‘down’ powłoka 3d: 5 elektronów ‘up’ , 4,4 ‘down’ Moment atomu + 2 mB ZMALAŁ !!! + 0,6 mB Bolesław AUGUSTYNIAK

Obsadzenia powłok dla Co, Cu i Ni-Cu m = 1,7 mB m = 0 m = 0 [3] Bolesław AUGUSTYNIAK

Zmiany momentów magnetycznych atomów w fazie gazowej i fazie ciała stałego .... Teraz to jest już wyjaśnione !!! Bolesław AUGUSTYNIAK

Stopy metali ferromagnetycznych z metalami przejściowymi Bolesław AUGUSTYNIAK

Źródła [1] Fizyczne podstawy magnetyzmu; A. Morrish, PWN, Warszawa ,1970 [2] Introduction to magnetism and magnetic materials; D. Jiles, Chapman and Hall, London, 1991 [3] Ferromagnetism; R. M. Bozorth, D. Van Nostrand Company, Princeton, 1951 [4] Magnetism from Fundamentals to Nanoscale Dynamics; ed. J. Stohr, H.C. Siegmann; Springer, Berlin 2006 [5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Otto_Stern [6] http://en.wikipedia.org/wiki/Walter_Gerlach [7] http://en.wikipedia.org/wiki/File:SternGerlach2.jpg [8] http://www.zgapa.pl/zgapedia/Otto_Stern.html [9] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1943/press.html [10] Introduction to magnetism and magnetic materials; D. Jiles; Chapman & Hall, London, 1991 [11] http://www1.gantep.edu.tr/~bingul/seminar/spin/spin.ppt [12] http://www.causality.net/nova/phy243/Chapter%207%20The%20Hydrogen%20Atom.ppt [13] http://lns.epfl.ch/lectures/nanoscience/lecturenotes/Cour-6-bis.pdf [14] http://vmc.org.pl/podstrony/tabele/uklad_okresowy_pierwiastkow.pdf [15] http://www.if.pwr.wroc.pl/~popko/lectures-mech/8.ppt [16] http://online.physics.uiuc.edu/courses/phys460/fall06/handouts/460-lect24.pdf [17] Fizyka kwantowa; R. Eisberg, R. Resnick; PWN, Warszawa 1983 [18] http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_Zeemana [19] Wykłądy z fizyki, t3. ; I. W. Sawieliew; PWN Warszawa 1994 Bolesław AUGUSTYNIAK Bolesław AUGUSTYNIAK 26