CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT RẮN 1. Mô men từ nguyên tử Chúng ta đã đã được tiếp xúc với định nghĩa nguyên tử ngay khi học cấp II, nhưng mãi cho đến cấp III chúng ta mới đi sâu tìm hiểu về cấu tạo hạt của nguyên tử. Có thể nói tất cả các nguyên tử đều gồm hạt nhân mang điện dương và các electron mang điện âm. Các electron này chuyển động không ngừng quanh hạt nhân.
Để giải thích nhiều hiện tượng, đặc biệt có các hiện tượng từ, chúng ta có thể coi gần đúng rằng các electron chuyển động quanh hạt nhân theo những quỹ đạo tròn hoặc elip tương tự như chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời. Các electron của nguyên tử (hay phân tử) quay theo những quỹ đạo (hình elip hoặc hình tròn) như vậy với tần số rất lớn vào cỡ ≈ 1015 vòng/giây, nó sẽ tạo ra dòng điện khép kín. Dòng điện vừa được tạo ra này sẽ sinh ra quanh nó một từ trường và sẽ tương tác với từ trường ngoài. Do đó, tùy thuộc vào từ trường ngoài như thế nào mà mômen từ sẽ có sự định hướng khác nhau.
Trước hết chúng ta cần biết thế nào là mômen từ nguyên tử? Đi trả lời cho câu hỏi này, chúng ta có thể giả sử quỹ đạo của electron chuyển động quanh hạt nhân trong nguyên tử là một đường tròn, bán kính r, có tâm nằm ở hạt nhân nguyên tử ( hình 1. Mô tả quỹ đạo e chuyển động trong nguyên tử [9] 3 ⃗ là vận tốc của electron, f là tần số quay của electron trên quỹ đạo thì: Gọi v v f 2 r Dòng điện do chuyển động của electron quanh quỹ đạo có chiều ngược lại với chiều chuyển động của electron quanh quỹ đạo (bởi vì e<0) còn cường độ dòng điện được tính bằng : v I ef e 2 r Gọi S r : là diện tích giới hạn bởi đường tròn quỹ đạo của electron chuyển 2 động xung quanh hạt nhân. Khi đó mômen từ quỹ đạo P m đặc trưng cho dòng điện này là: ev 1 P m IS n r 2 n evrn 2 r 2 Trong đó n : vector đơn vị hướng theo phương pháp tuyến dương của mặt S (có chiều sao cho chiều dòng điện là chiều quay thuận xung quanh nó). Mặt khác, vì electron có khối lượng nên khi nó quay quanh hạt nhân nó có mômen xung lượng L với: L r mv L được gọi là mômen xung lượng quỹ đạo.
Theo công thức, ta thấy L vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của electron, và có chiều được xác định bằng quy tắc vặn nút chai. Vì chiều chuyển động của điện tử ngược chiều với dòng điện nên L ngược chiều với P m , do đó: L mvrn và về độ lớn trị số L = mvr. Gọi là tỉ số giữa Pm và L; ta có: Pm 1 evr e L 2 mvr 2m 4 Dấu trừ biểu thị cho L ngược chiều với P m e : được gọi là hệ số từ cơ của electron. 2m e : điện tích riêng của electron.
m Trong cơ học lượng tử đã chứng minh rằng electron nguyên tử chỉ chuyển động theo những quỹ đạo dừng nhất định với mômen động lượng: h Lk k k Z , h: hằng số Plăng. 2 Do đó ta có thể viết: e h eh Pm k k 2m 2 4 m 1,6.1031 eh Với B : manheton Bohr (J/T). 4m Manheton Bohr là mômen từ nguyên tố ứng với chuyển động của electron theo quỹ đạo gần hạt nhân nhất của nguyên tử đơn giản nhất là hydro. Thực nghiệm và lý thuyết đã chứng tỏ rằng, khi electron chuyển động trên quỹ đạo ngoài mômen từ quỹ đạo và mômen xung lượng quỹ đạo, electron còn có mômen từ riêng P ms và L s mômen động lượng riêng (còn gọi là spin của electron).
Trong cơ học lượng tử chúng có mối liên hệ: Pms e s 2 Ls m 5 Chính vì vậy mà ngoài chuyển động quay, electron còn tham gia chuyển động tự quay quanh trục của nó giống như sự tự quay của trái đất (hình 1. Mô tả chuyển động tự quay của e trong nguyên tử 9 Khi nghiên cứu cấu trúc phân tử và các hạt tạo thành chúng thì người ta đã chỉ ra rằng các hạt proton và notron cũng có mômen từ. Tuy nhiên mômen từ của chúng rất nhỏ so với mômen từ của electron. Ta có thể coi mômen từ của hạt nhân có đóng góp không đáng kể vào mômen từ nguyên tử, mà chủ yếu là đóng góp của mômen từ của electron.
Vậy khi tính mômen từ nguyên tử (hay phân tử) ta tính tổng vector của tất cả các mômen từ quỹ đạo P m và mômen từ riêng P ms của tất cả các electron : z P m ( P mi P msi ) i 1 Trong đó: P m : mômen từ nguyên tử. z : số thứ tự của nguyên tử trong bảng hệ thống tuần hoàn. Như vậy, mômen từ nguyên tử nói lên bản chất của từ học, có thể coi như đặc trưng cho tác dụng của một dòng điện khép kín trong nguyên tử (hay phân tử). Với mỗi nguyên tố khác nhau thì giá trị mômen từ nguyên tử của chúng là khác nhau.
Độ lớn của mômen từ nguyên tử quyết định bởi số lượng spin “down” và spin “up” trong lớp chuyển tiếp – lớp điện tử không điền đầy trong cấu hình điện tử của nguyên tố. Mômen từ nguyên tử khi chưa có từ trường ngoài - Đối với các chất thuận từ, nghịch từ Khi chưa có từ trường ngoài, do chuyển động nhiệt nên các mômen từ nguyên tử sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn, không có phương ưu tiên. Vì vậy, mômen từ tổng hợp trong toàn vật bằng không và vật không có từ tính hay nó còn được gọi là nhóm phi từ. - Đối với các chất sắt từ Khi không có từ trường, mômen từ của vật khác không và chính là mômen từ tự phát.
Tổng mômen từ của vật liệu đã bị từ hóa trên một đơn vị thể tích gọi là độ nhiễm từ hay độ từ hóa hay từ độ M của vật liệu. Gọi là độ từ cảm hay hệ số từ hóa của vật liệu. Các trạng thái từ của vật chất 1. Trạng thái nghịch từ Vật liệu từ ở trạng thái nghịch từ là vật liệu từ có độ cảm từ âm( 0 ), độ lớn nhỏ (cỡ 10-6 0 ), ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
Trong một vật liệu (a ) (b) nghịch từ, các nguyên tử Hình 1.(a) Mô hình sắp xếp mômen từ không có môment từ riêng khi 1 không có từ trường ngoài đặt nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của vào vào.[9] Điều này được giải thích do chất nghịch từ có nguyên tử mà trong đó mặt phẳng quỹ đạo của các electron song song với nhau và có qũy đạo giống nhau. Trên các quỹ đạo ấy, các electron đều chuyển động 7 cùng vận tốc nhưng ngược chiều nhau và do đó làm mômen từ quỹ đạo của chúng luôn trực đối nhau. Do đó tổng mômen từ quỹ đạo luôn bằng không. Dưới tác dụng củatừ trường ngoài, các electron đều có mômen từ cảm ứng cùng chiều nhau và ngược chiều với từ trường ngoài.
Kết quả là mômen từ của mỗi nguyên tử khác không thì làm cho toàn bộ chất nghịch từ có mômen từ khác không và ngược chiều từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiện tượng nghịch từ xuất hiện nhưng thường bị bao phủ bởi các hiệu ứng như hiện tượng thuận từ, sắt từ… lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ. Ví dụ về một số chất thể hiện rõ tính nghịch tư như: khí trơ, hợp chất hữu cơ, một số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag, … Vật liệu nghịch từ lý tưởng là vật liệu siêu dẫn (là vật mà ở dưới nhiệt 1 độ Tc , điện trở của vật bằng không) vì nó có 0 và , lớn gấp nhiều 4 lần so với các chất nghịch từ khác.
Trạng thái thuận từ Là vật liệu từ có độ cảm từ dương 0 , giá trị nhỏ (cỡ 10 10 ). 5 3 phụ thuộc vào nhiệt độ, sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie[9] C T T: nhiệt độ tuyệt đối. C: nhiệt độ Curie Khi chưa có từ trường ngoài, các electron định xứ không tương tác với nhau, ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Vì vậy, mômen từ tổng hợp toàn vật thuận từ bằng không và vật không có từ tính.
8 Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này, do đó toàn bộ vật thuận từ có mômen từ khác không và mômen từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trường ngoài. Đây là hiệu ứng thuận từ. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó sắp xếp các mômen từ nguyên tử, vì vậy độ cảm từ sẽ giảm xuống. Tuy nhiên đối với kim loại kiềm thì độ cảm thuận từ hầu như không phụ thuộc nhiệt độ.
(a) Sự sắp xếp các mômen từ; (b) Sự phụ thuộc của vào nhiệt độ [9] Một số chất thuận từ: Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, ôxit nitơ dạng khí (NO), … Các nguyên tử tự do với lớp vỏ không đầy: các nguyên tố chuyển tiếp, các nguyên tố nhóm Uran, … Các kim loại: thuộc nhóm 3d (nhóm sắt) : Cr, Mn, Co, …; nhóm kim loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Sm, Pm, Pr, … 1.3 Trạng thái sắt từ Là vật liệu có 0 , có giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ chế tạo đặc biệt có thể lên tới hàng triệu). 9 Trong các vật sắt từ, khi nhiệt độ của vật thấp hơn một nhiệt độ xác định nào đó thì tồn tại độ từ hóa tự I 1 Is phát. Tức là chất sắt từ tồn tại mômen từ tự phát ngay cả khi không có từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài O bằng không và ta tiếp tục tăng (a) Tc (b) T nhiệt độ, thì độ từ hóa tự phát Hình 7a Hình 7b giảm đi và giảm tới nhiệt độ Hình 1.
(a) Sự sắp xếp các mômen từ xác định nói đến ở trên. Với nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của 1 vào mỗi chất sắt từ sẽ có một nhiệt nhiệt độ [9] độ xác định mà tại đó tính chất từ của nó biến mất hay độ từ hóa bằng không. Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ Curie ( Tc ).