АТОМНЫЙ МАГНЕТИЗМ

Магнетизм атома характеризуют магнитным моментом рат, который создается электронами атома. Они участвуют в создании рат двояко. Во-первых, каждый электрон, вращаясь вокруг ядра, образует микроскопический замкнутый ток, который обладает орбитальным магнитным моментом р;. Модуль этого момента и одна из его проекций на произвольную ось г равны:

где 1 — магнетон Бора. Он играет роль кванта магнитного момента (точнее его проекции р2). Магнитный момент р, можно изобразить в виде вектора, перпендикулярного площади орбиты (рис. 5.3)

Рис. 5.3

Схематическое изображение орбитального ц( и спинового магнитных моментов одноэлектронного атома

Заметим, что орбитальный механический момент электрона

Во-вторых, каждый электрон обладает собственным магнитным моментом, его называют спиновым и обозначают р5. Модуль спинового момента и его проекция равны:

при

Спиновой момент электрона равен Таким образом, с электроном связаны две «магнитные стрелки». Отношение магнитного момента к механическому моменту электрона, выражаемое обычно в единицах

, называется гиромагнитным отношением g. В случае

чисто спинового момента gs = 2.

Объединяя формулы связи между рI и р,, запишем:

где для спина g= 2, а для орбитального движения ? = 1.

Если свободный атом содержит несколько электронов, то их орбитальные и спиновые моменты складываются. Для легких атомов магнитные свойства будут определяться значениями квантовых чисел , а также полного квантового числа, величина которого может принимать значения J = Ь + Д|, ..., - Д|. В этом случае ^-фактор можно вычислить по формуле Ланде:

Соответствующий расчет позволяет найти суммарный магнитный момент атома ра.,. и его проекцию на ось г

Коэффициент пропорциональности ? для частиц носит название гиромагнитного отношения, а для атомных электронов фактора Ланде. В частности, в синглетных состояниях (Б = 0), J = Ь, g = 1, и мы приходим к формулам для орбитального магнитного момента. А при Ь = 0 (с/ = 5, g = 2) — к формулам для спинового магнетизма. В других случаях возможны промежуточные значения l Если атом оказывается во внешнем магнитном поле Н0, то в направлении вектора Н0 можно определить проекции орбитального, спинового и суммарного моментов электронов. В этом случае вырождение по магнитным квантовым числам снимается — разным значениям ть, т3 и отвечают

разные уровни энергии.

Различным значениям квантовых чисел Ь, Б, J, как правило, соответствуют разные энергетические уровни атомов. Набор энергетических уровней данной электронной конфигурации при фиксированных ? и 5 и изменяющихся их взаимным расположением, т. е. изменяющимся с/, называется термом. Основной терм, т. е. терм с наименьшей энергией, определяется правилом Хунда. Основным является терм с наибольшим значением спина 5 и наибольшим значением Ь. При этом квантовое число J равно - 3), если заполнено не более половины оболочки, и Ь + 5| в остальных случаях.

Термы принято обозначать 2S+1LJ, так же как и для отдельных электронов, но здесь состояния с различными значениями полного орбитального момента Ь обозначаются не малыми, а большими буквами алфавита:

Слева вверху буквенного символа указывается число 25+1, называемое мультиплетностыо терма. Справа внизу указывается значение полного момента J.

В качестве примера рассмотрим металлический гадолиний (Сс1). Атом Сс1 принадлежит к группе редкоземельных элементов и имеет следующую электронную структуру:

При кристаллизации в металлическое состояние три внешних электрона Исі (один 5с/ и два 6в) становятся свободными и переходят в зону проводимости, и поэтому ГЦК плотно упакованную структуру металлического Осі образуют ионы У этого иона незаполненной

остается только 4/-оболочка, в которой имеется 2(21 + 1) = = 2 7 = 14 различных квантовых состояний.

В соответствии с правилом Хунда у семи электронов Ой спины имеют одно и то же направление. Они заполняют все семь мест, различающихся величиной проекции орбитального момента от -3 до +3, так что суммарный орбитальный момент равен нулю. Таким образом, суммарный

спин , а орбитальный момент Ь = 0. Суммарный

момент иона По общепринятой терминологии: ион Сс1+3 находится в состояниис суммарным магнитным моментом

для спиновых моментов ё'-фактор равен 2. Таким образом, следует считать, что у иона

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >