E-Book Overview
Рассказывается о магнитных свойствах металлов и сплавов, в которых ответственные за магнетизм электроны коллективизированы и их можно рассматривать как электронный газ. Показано, что особенности магнитного поведения таких магнетиков обусловлены квантовыми характеристиками газа коллективизированных электронов
E-Book Content
ITINERANT ELECTRON MAGNETISM R. Z. LEVITIN Magnetic properties of metals and alloys, in which the electrons responsible for magnetism are of itinerant nature and can therefore be considered as forming electron gas are described. The features of the magnetic behavior of such magnets are shown to be determined by the quantum characteristics of itinerant electron gas. © ã‚ËÚËÌ ê.á., 1997 ê‡ÒÒ͇Á˚‚‡ÂÚÒfl Ó Ï‡„ÌËÚÌ˚ı Ò‚ÓÈÒÚ‚‡ı ÏÂÚ‡ÎÎÓ‚ Ë ÒÔ·‚Ó‚, ‚ ÍÓÚÓ ˚ı ÓÚ‚ÂÚÒÚ‚ÂÌÌ˚ Á‡ χ„ÌÂÚËÁÏ ˝ÎÂÍÚ ÓÌ˚ ÍÓÎÎÂÍÚË‚ËÁË Ó‚‡Ì˚ Ë Ëı ÏÓÊÌÓ ‡ÒÒÏ‡Ú Ë‚‡Ú¸ Í‡Í ˝ÎÂÍÚ ÓÌÌ˚È „‡Á. èÓ͇Á‡ÌÓ, ˜ÚÓ ÓÒÓ·ÂÌÌÓÒÚË Ï‡„ÌËÚÌÓ„Ó Ôӂ‰ÂÌËfl Ú‡ÍËı χ„ÌÂÚËÍÓ‚ Ó·ÛÒÎÓ‚ÎÂÌ˚ Í‚‡ÌÚÓ‚˚ÏË ı‡ ‡ÍÚ ËÒÚË͇ÏË „‡Á‡ ÍÓÎÎÂÍÚË‚ËÁË Ó‚‡ÌÌ˚ı ˝ÎÂÍÚ ÓÌÓ‚. МАГНЕТИЗМ КОЛЛЕКТИВИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ê. á. ãÖÇàíàç åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚Â ÒËÚÂÚ ËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡ ÇÇÖÑÖçàÖ Магнитные свойства твердых тел определяются главным образом магнитными моментами содержащихся в них электронов. В твердых телах электроны могут находиться в двух различных состояниях. В непроводящих веществах (диэлектриках) все электроны локализованы на соответствующих атомах. В металлах, сплавах, интерметаллических соединениях и т.д. наряду с локализованными электронами имеются электроны, которые отрываются от атомов (ионов) и коллективизируются. Эти электроны легко двигаются в кристаллической решетке, обусловливая высокую проводимость. Можно представить металл как решетку из ионов, омываемую газом коллективизированных электронов (электронов проводимости). В простейшей модели свободных электронов (ее называют моделью Друде–Лоренца) можно не учитывать взаимодействия электронов друг с другом, так как в первом приближении силы отталкивания между электронами компенсируются в среднем силами притяжения между электронами и ионами, и рассматривать газ свободных электронов как газ невзаимодействующих частиц. Магнитные свойства электронного газа обусловлены тем, что электрон обладает собственным магнитным моментом µe , связанным, как это следует из квантовой механики, собственным спиновым механическим моментом электрона Se соотношением µe = geSeµБ . (1) Так как спин электрона Se = 1/2, g-фактор электрона ge = 2, то магнитный момент электрона µe = 1 µБ . Первоначально предпринимались попытки для описания магнитных свойств металлов представлять электронный газ как классический газ магнитных стрелок (магнитных диполей). Однако экспериментальные данные показывают, что такой подход не является верным. Так, например, П. Ланжевен, рассматривая газ невзаимодействующих магнитных диполей, получил для магнитной восприимчивости такого парамагнетика закон Кюри 2 Nµ χ = -----------Б-, 3k Б T (2) ãÖÇàíàç ê.á. åÄÉçÖíàáå äéããÖäíàÇàáàêéÇÄççõï ùãÖäíêéçéÇ 101 где N – число электронов, kБ – константа Больцмана. Из формулы (2) видно, что восприимчивость классического парамагнетика меняется с температурой по гиперболическому закону, что хорошо согласуется с экспериментальными данными для многих непроводящих парамагнетиков. В то же время магнитная восприимчивость большинства металлов и сплавов почти не зависит от температуры и ее величина значительно меньше рассчитанной по формуле (2). Эти особенности магнитных свойств металлов были объяснены в 1928 году швейцарским ученым В. Паули, который показал, что электронный газ нельзя рассматривать в классическом приближении, а необходимо учитывать, что электроны являются квантовыми объектами и подчиняются квантовой статистике Э. Ферми, отличающейся от классической статистики Л. Больцман