Физика/2. Физика твёрдого тела

Кирей П.С.

Николаевский филиал ЧВУЗ «Европейский университет», Украина

Использование периодической системы элементов Д.И.Менделеева при изучении магнитных свойств вещества

Магнитные материалы и технологии играют исключительно важную роль во многих областях науки и техники, а физика магнитных явлений является перспективной и активно развивающейся отраслью знаний. В связи с этим всё большую актуальность приобретает проблема формирования «магнитной культуры» будущего инженера.

Классификация магнетиков и изучение их свойств входит в обязательную программу курса общей физики технических ВУЗов, однако сведения о магнитных свойствах конкретных веществ, которые приводятся в учебниках по общей физике, носят, как правило, выборочный, бессистемный и очень ограниченный характер. Так, например, в [1] приводится феноменологическая классификация магнетиков по знаку и величине молярной магнитной восприимчивости χ_m, указан примерный порядок величины χ_m для диа-, пара- и ферромагнетиков, однако полностью отсутствуют сведения о конкретных веществах, обладающих диамагнитными и парамагнитными свойствами. Большее внимание уделяется сильномагнитным веществам, однако нет никаких упоминаний о ферримагнетиках – магнитных веществах, имеющих очень важное прикладное значение. В [2] перечисляются некоторые диа- и парамагнетики, однако отсутствуют сведения о порядке величины χ_m как для диа- и парамагнетиков, так и для ферромагнетиков, приводятся лишь два конкретных значения χ_m для гелия и аргона [2, с. 314]. Как ни странно, но даже в обширном и обстоятельном «Справочнике по электротехническим материалам» [3] в разделе «Общие сведения о магнитных материалах» [3, с. 6 - 13] нет никаких сведений о конкретных веществах, обладающих диамагнитными и парамагнитными свойствами. Только лишь в разделе «Классификация и электрические свойства проводниковых материалов» [3, табл. 10.1, с. 184 - 185] указано, к какому виду магнетиков относятся те или иные металлы - простые вещества.

К негативным моментам следует отнести также то, что имеются противоречия даже в определении некоторых понятий магнетизма. Так, например, в [2, с. 304] антиферромагнетики отнесены к сильномагнитным веществам, в [3, с. 7] – к слабомагнитным, а в [1, с. 169] вопрос о принадлежности магнетиков к слабо- или сильномагнитным веществам рассматривается без учёта антиферромагнетиков и ферримагнетиков.

В качестве основы для последовательного, системного и глубокого изучения магнитных свойств существующего многообразия различных веществ предлагается использовать Периодическую систему элементов Д.И.Менделеева (в дальнейшем – ПСЭ), которая является одним из фундаментальных законов природы и устанавливает периодическую зависимость химических и физических свойств атомов и образуемых ими простых и сложных веществ от зарядов их атомов.

Изучение магнитных свойств вещества целесообразно начинать с изучения закономерностей изменения величины молярной магнитной восприимчивости χ_m простых веществ в ПСЭ.

По знаку молярной магнитной восприимчивости χ_m (при комнатной температуре) известные на сегодняшний день простые вещества можно классифицировать следующим образом:

1. Парамагнетики (χ_m > 0, включая ферро- и антиферромагнетики) – 51 элемент;

2. Диамагнетики (χ_m < 0) – 31 элемент;

3. Магнитоамфотерные элементы (элементы, у которых разные аллотропные и полиморфные модификации имеют разные знаки χ_m при обычных атмосферных условиях) – 3 элемента (углерод, кислород, олово). Ввиду малочисленности магнитоамфотерных элементов в дальнейшем изложении они не выделяются в отдельную группу, а для общности рассуждений отнесены к диамагнетикам.

4. Магнито-неидентифицированные элементы (элементы, у которых величина и знак χ_m неизвестны вследствие их высокой химической или радиационной активности, очень малой величины периода полураспада или синтезированных в очень малых количествах) - 25 элементов. К магнито-неидентифицированным элементам относятся фтор, четыре элемента 6-го периода (прометий, полоний, астат, радон) и 20 элементов 7-го периода (известна величина χ_m лишь для 4-х элементов-актиноидов: тория, урана, плутония и америция). При этом, исходя из общих физических представлений, фтор, полоний, астат и радон следует отнести к диамагнетикам, а прометий – к парамагнетикам.

ПСЭ чётко разделяется на две компактные области: диамагнитную и парамагнитную, что особенно хорошо видно в длиннопериодном варианте ПСЭ. Граница раздела проходит по линии элементов с номерами 3 – 13 – 28 – 46 – 78 – 110 (литий – алюминий – никель – палладий – платина – дармштадтий).

Исходя из вида распределения диамагнитных и парамагнитных элементов в ПСЭ и с учётом приведенных выше замечаний, можно сделать следующие обобщения (в отношении элементов 7-го периода некоторые из данных обобщений являются гипотетическими):

1. За исключением 1-го периода, каждый период начинается с парамагнитного элемента и заканчивается диамагнитным (впрочем, и в 1-ом периоде водород в атомарном состоянии представляет собой классический пример парамагнитного вещества).

2. В коротких периодах (периоды 1 – 3) преобладают диамагнитные элементы, а в длинных (периоды 4 – 7) – парамагнитные.

3. В длинных периодах содержится одинаковое количество диамагнитных элементов (N_d = 8) в конце каждого периода, а количество парамагнитных элементов в начале каждого периода составляет N_p = N - N_d, где N – общее число элементов в периоде.

4. В 1-ом периоде оба s-элемента являются диамагнитными; во 2-ом периоде содержится один парамагнитный и один диамагнитный s-элементы; в каждом из остальных периодов оба s-элемента являются парамагнитными.

5. Все р-элементы являются диамагнитными, за исключением алюминия и магнитоамфотерных элементов.

6. В длинных периодах содержится одинаковое количество парамагнитных d-элементов – по 8 в начале каждого ряда d-элементов, и одинаковое количество диамагнитных d-элементов – по 2 в конце каждого ряда d-элементов.

7. Все f-элементы являются парамагнитными.

8. Все элементы 1 – 10 групп являются парамагнитными, за исключением бериллия.

9. Все элементы 11 – 18 групп являются диамагнитными, за исключением алюминия и магнитоамфотерных элементов.

В работе [4] показано, что, в целом, наблюдается периодичность изменения величины молярной магнитной восприимчивости χ_m простых веществ по периодам ПСЭ.

Анализ изменения численных значений χ_m в ПСЭ, в основе которого лежат исходные данные (удельная магнитная восприимчивость и относительная атомная масса для каждого элемента), взятые из работы [5], даёт следующие основные результаты:

1. Спектры значений χ_m элементов парамагнитных областей длинных периодов имеют сходную структуру (периодичность) за счёт «слабых» линий щелочных металлов (группа 1), щелочноземельных металлов (группа 2) и аномальных парамагнетиков (группы 4, 6, 8, 9); и «ярких» линий нормальных парамагнетиков (группы 3, 5, 7, 10).

2. Спектры значений |χ_m| элементов диамагнитных областей длинных периодов имеют сходную структуру (периодичность) за счёт «слабых» линий d-металлов (группы 11, 12), элементов 14-ой, 16-ой и 18-ой групп; и «ярких» линий элементов 13-ой, 15-ой и 17-ой групп.

3. Основными тенденциями изменения величины χ_m с увеличением атомного номера в пределах групп являются:

- монотонное убывание, близкое к линейному (группы 3 - 5, 11, 12, 16 - 18);

- сложная функциональная зависимость (группы 1, 2, 13 - 15, лантаноиды);

- монотонное возрастание, близкое к линейному (актиноиды);

- убывание, характер которого нельзя однозначно определить ввиду того, что в данных группах вследствие исключения из рассмотрения магнитоупорядоченных веществ остаётся только по 2 элемента, для которых известна величина χ_m (группы 6 - 10).

4. Группы 17 (водород+галогены) и 18 (инертные газы), которые в химическом отношении являются группами-антиподами, с точки зрения магнитных свойств являются группами-двойниками, так как значения величины атомной магнитной восприимчивости χ_а (это величина молярной магнитной восприимчивости с коэффициентом, учитывающим количество атомов в молекуле простого вещества) для элементов каждой из групп попарно совпадают с точностью от 6 % для пары «водород-гелий» и до 1,25 % – для пары «йод-ксенон».

5. Отсутствуют признаки какого-либо влияния на магнитные спектры проходящей через диамагнитную область ПСЭ диагонали бор-астат, которая разделяет металлы и неметаллы; и линии, разделяющей газообразные и конденсированные простые вещества при н.у.

6. По величине χ_m лантаноиды естественным образом классифицируются на три группы: «слабые» (элементы 58 – 62), «сильные» (элементы 63 – 69) и «сверхслабые» (иттербий, лютеций), для каждой из которых величина χ_m отличается на несколько порядков. Данная классификация лантаноидов на группы полностью совпадает с результатами деления лантаноидов на группы, предложенным в работе [6], однако там критерием классификации являлась совокупность других физико-химических свойств. По величине χ_m к «сверхслабым» лантаноидам близки скандий, иттрий и лантан, которые часто причисляются к редкоземельным металлам.

При изучении магнитных свойств простых веществ в зависимости от положения соответствующего элемента в ПСЭ закономерно возникают вопросы об особенностях магнитных свойств некоторых элементов и групп элементов, что позволяет перейти к более детальному изучению природы их магнитных состояний. К таким вопросам относятся, например, особенности магнитных свойств металлов и полупроводников (парамагнетизм Паули и диамагнетизм Ландау, магнитная анизотропия, эффект Де-Хааза – ван Альфена и т.д.); парамагнетизм О₂; ферромагнетизм Fe, Co, Ni; антиферромагнетизм Сr, α-Mn; многообразие магнитных свойств лантаноидов; ферромагнетизм полимеров на основе фуллеренов и т.д. Изучение этих вопросов, в свою очередь, тесно связано с примерами технического применения перечисленных материалов.

От изучения закономерностей изменения магнитных свойств простых веществ осуществляется следующий логический переход к изучению магнитных свойств и технических применений важнейших соединений, сплавов и растворов, распространённых в природе, быту и технике, особенно, сильномагнитных (магнитомягкие и магнитотвёрдые материалы, ферриты различного назначения, сплавы Гейслера, магнитные жидкости и т.д.).

Как показывает практика, основным преимуществом изложенного выше подхода к изучению магнитных свойств веществ является то, что студенты легко усваивают и хорошо ориентируются в следующем круге вопросов:

1. Отличие магнитных свойств изолированных атомов и молекул от магнитных свойств образуемых ими простых веществ.

2. Определение количества и распределения диамагнитных и парамагнитных элементов в ПСЭ по периодам и группам, тенденция роста абсолютного и относительного содержания парамагнитных элементов по периодам ПСЭ с увеличением номера периода.

3. Комплексное определение по таблице Д.И.Менделеева важнейших физических свойств простых веществ при н.у. (агрегатного состояния, наличия металлических свойств, магнитного состояния).

4. Определение основных тенденций изменения молярной магнитной восприимчивости по периодам и группам ПСЭ.

5. Особенности магнитных свойств отдельных элементов и групп элементов (в частности, расположение в ПСЭ, магнитные свойства и отличительные особенности нормальных и аномальных парамагнетиков) и их техническое применение.

Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. – М.: Наука, 1978. – Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 480 с.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. – М.: Наука, 1977. – Т. 3. Электричество. – 688 с.

3. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т./Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – Т. 3. – 728 с.

4. Кирей П.С. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева и магнитные свойства простых веществ // 9-й Международный симпозиум «Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы»: Сборник докладов. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – С. 61 – 67.

5. Эмсли Дж. Элементы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993.

6. Григорович В.К. Периодический закон Д.И. Менделеева и электронное строение металлов. – М.: Наука, 1966. – 288 с.