Диамагнетизм

Диамагнетизм [от греч. dia... - приставка, означающая здесь расхождение (силовых линий), и магнетизм], один из видов магнетизма; проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

Д. свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). В веществе Д. может перекрываться в большей или меньшей степени электронным или ядерным парамагнетизмом, ферромагнетизмом или антиферромагнетизмом. У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным магнитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего магнитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками, например в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентируется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряжённости поля). Из неоднородного магнитного поля он выталкивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряжённости внешнего поля Н, т. е. l = cH. Коэффициент c называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и Н направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина c мала (~ 10^-6), например для 1 моля гелия c = - 1,9×10^-6.
В изолированных атомах токи, создающие Д., имеют наиболее простой характер. Вся совокупность электронов изолированного атома приобретает под действием внешнего магнитного поля синхронное вращательное движение вокруг оси, проходящей через центр атома параллельно направлению Н. Это совместное вращение всех электронов атома называется Лармора прецессией. Вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость изолированного атома
где е - заряд электрона ?- средний квадрат расстояния электрона от ядра атома, m - масса покоя электрона, с - скорость света в вакууме. В соответствии с формулой (1) наибольший вклад в диамагнитную восприимчивость вещества дают наиболее удалённые от ядра электроны. Формула (1) позволяет теоретически рассчитать диамагнитную восприимчивость совокупности изолированных атомов (например, 1 моля или 1 см³ вещества), если известно число электронов в атомах и пространственное их распределение.
При не очень высоких температурах тепловое движение атомов слабо влияет на движение электронов в них. Поэтому Д. практически не зависит от температуры.
Если атомы не изолированы друг от друга, а, напротив, сильно взаимодействуют между собой, например в жидкостях или твёрдых телах, то электронные оболочки таких атомов деформируются, и наблюдаемый Д. оказывается часто меньше, чем у изолированных атомов.
В металлах и полупроводниках часть валентных электронов атомов имеет возможность перемещаться от атома к атому по всему образцу (в металлах число таких "свободных" электронов не зависит от температуры и очень велико, в полупроводниках оно сравнительно мало при низких температурах и быстро растёт с нагреванием). Под воздействием внешнего магнитного поля свободные электроны двигаются по спиральным квантованным орбитам, что также вызывает небольшой Д. (см. Ландау диамагнетизм). В некоторых веществах диамагнетизм Ландау особенно велик, например в висмуте и графите восприимчивость достигает - (200-300)×10^-6 на 1 моль.
Во всех рассмотренных выше случаях диамагнитная восприимчивость слабо зависит от напряжённости магнитного поля. Однако при очень низких температурах у металлов (например, Be, Bi, Zn) и полупроводников в сильных полях наблюдается периодическое (осцилляционное) изменение восприимчивости при плавном увеличении напряжённости поля (см. Де Хааза - ван Альфена эффект).
Наибольшее по абсолютной величине значение диамагнитной восприимчивости имеют сверхпроводники. У них c = - 1/4p " - 8×10^-1, а магнитная индукция равна нулю, т. е. магнитное поле не проникает в сверхпроводник. Д. сверхпроводников обусловлен не внутриатомными, а макроскопическими поверхностными токами.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955, гл. 2; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, пер. с англ., М., 1937, гл. 8; Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967.
? Я. Г. Дорфман.