ферромагнетизм

Ответ от Їеловек разумный[гуру]
Так как ферромагнетизм - результат обменного взаимодействия, которое может приводить к антипараллельной, а может - к параллельной ориентации спинов системы взаимодействующих частиц (как результат выгодности одного из состояний) , что и определяет магнитные свойства вещества, то целесообразно вначале рассмотреть понятие обменного взаимодействия.
Обменное взаимодействие
Обменное взаимодействие - взаимное влияние тождественных частиц, характер которого зависит от спина частиц - целого или полуцелого. В случае с электронами спин каждого из них - полуцелый. Потому они есть фермионами.
Так как электроны - фермионы, то для них должен учитываться принцип Паули. Это значит, что при взаимодействии неспаренных электронов незаполненных орбиталей соседних атомов, в случае с параллельной ориентацией их спинов, электроны будут выдавливаться в отдельные квантовые состояния без перекрывания их волновых функций и образования одного квантового состояния. В случае же с антипараллельной ориентацией спинов электроны будут образовывать одно квантовое состояние, которое (при отсутствии определенных внешних факторов [как магнитного поля] , специфического строения кристаллической решетки (об этом - чуть позже) или характера обменного взаимодействия [отсутствия косвенного обменного взаимодействия и т. д.]) , по энергии будет значительно ниже, чем состояние с параллельными спинами, несмотря на электростатическое отталкивание. Почему так?
При перекрывании волновых функций изменение проекции спина на направление движения сопровождается изменением распределения плотности заряда в перекрывающейся области, а при антипараллельной ориентации зарядовые плотности волновых функций в области перекрытия минимальны. Значит, минимальна и энергия электростатического взаимодействия между электронами.
В этом основа образования ковалентной связи.
Ферромагнетизм
Ферромагнетизм - состояние атомов, при котором магнитные моменты, а значит, и спины, сонаправлены.
В зависимости от параметра кристаллической решетки и радиусом орбиталей с неспаренными электронами, обменный интеграл, являющийся мерой обменной энергии, может быть положительным или отрицательным. Это определяется соотношением a/2*r, где а - параметр кристаллической решетки, r - радиус незаполненной орбитали. При a/2*r>1,5 обменный интеграл положителен, при a/2*r<1,5 обменный интеграл отрицателен.
Если обменный интеграл положителен, то обменное взаимодействие будет уменьшать полную энергию в системе лишь в том случае, когда спины электронов соседних атомов параллельны. Почему так?
Это обусловливается тем, что именно у ферромагнетиков, в силу большого параметра кристаллической решетки, в состоянии с сильным перекрыванием волновых функций электронов с антипараллельными спинами возникает энергия электростатического отталкивания, которая значительно увеличивает энергию системы в противовес минимуму энергии при выдавливании волновых функций электронов в отдельные состояния при параллельной ориентации спинов.
Незаполненные орбитали соседних атомов ферромагнетиков расщепляются на два подуровня, более выгодным из которых является подуровень со спином, направленным параллельно спину электрона соседнего атома.
Итого, спиновые магнитные моменты ферромагнетиков складываются, образуя спонтанную намагниченность в виде доменов. Но суммарная намагниченность остается равной нулю.
А если еще и воздействовать на ферромагнетик внешним магнитным полем, то последнее обусловливает расщепление орбиталей на подуровни со спином, направленным противоположно внешнему магнитному полю (1), и сонаправленному с магнитным полем спином (2). А так как магнитный момент направлен противоположно проекции спина на направление движения, то, при противоположной относительно магнитного поля направленности спина, магнитный момент сонаправлен внешнему магнитному полю. Потому состояние (1) энергетически более выгодно, чем состояние (2). Тогда ферромагнетик намагничен.