Диамагнетизм

Диамагнетизм — это свойство вещества намагничиваться против направления внешнего магнитного поля, в результате чего оно выталкивается из этого поля. Диамагнетизм является универсальным свойством всех веществ, однако в большинстве случаев он перекрывается более сильными магнитными эффектами — парамагнетизмом или ферромагнетизмом. В чистом виде диамагнетизм наблюдается у веществ, атомы или молекулы которых не имеют постоянного магнитного момента (то есть не являются парамагнетиками). Классическим примером диамагнетика является висмут.

Физическая природа

Диамагнетизм обусловлен изменением орбитального движения электронов в атомах под действием внешнего магнитного поля. Согласно классической электродинамике, при включении внешнего поля в электронной оболочке атома возникает индукционный ток, который, по правилу Ленца, создаёт собственное магнитное поле, направленное противоположно внешнему. Это приводит к ослаблению суммарного поля внутри вещества и появлению силы, выталкивающей образец из области сильного поля.

Квантово-механическое описание диамагнетизма основано на эффекте Зеемана: внешнее поле изменяет энергию электронных орбиталей, что приводит к появлению наведённого магнитного момента. В отличие от парамагнетизма, который зависит от температуры (закон Кюри), диамагнитная восприимчивость практически не зависит от температуры, так как она определяется не ориентацией постоянных моментов, а индукцией токов в замкнутых оболочках.

Магнитная восприимчивость

Количественной мерой диамагнетизма служит магнитная восприимчивость χ (хи). Для диамагнетиков она отрицательна и по модулю обычно мала (порядка 10⁻⁵ — 10⁻⁶). Например, у висмута χ ≈ −1,66×10⁻⁴ (в единицах СИ), у воды χ ≈ −9,0×10⁻⁶, у меди χ ≈ −9,7×10⁻⁶. Абсолютное значение восприимчивости диамагнетиков, как правило, на несколько порядков меньше, чем у ферромагнетиков.

История открытия

Первые наблюдения диамагнетизма относятся к концу XVIII века. В 1778 году нидерландский физик Антон Бругманс заметил, что висмут отталкивается от полюсов магнита. Однако систематическое изучение явления началось в 1845 году, когда Майкл Фарадей обнаружил, что многие вещества (например, висмут, сурьма, фосфор) ведут себя в магнитном поле иначе, чем железо. Фарадей ввёл термин «диамагнетизм» (от греч. δια — «через», «сквозь» и μαγνήτης — «магнит»). В 1847 году Вильгельм Вебер предложил первую теоретическую модель, объясняющую диамагнетизм возникновением индукционных токов в атомах.

Классификация диамагнетиков

Диамагнетики делятся на несколько групп в зависимости от природы носителей диамагнетизма:

• Атомные диамагнетики — вещества, у которых диамагнетизм обусловлен электронными оболочками атомов. К ним относятся благородные газы (гелий, неон, аргон), а также многие металлы в твёрдом состоянии (медь, серебро, золото, цинк, кадмий).
• Молекулярные диамагнетики — вещества, в которых диамагнетизм определяется электронными оболочками молекул. Примеры: вода, большинство органических соединений (бензол, нафталин), полимеры (полиэтилен, тефлон).
• Сверхпроводники — особый класс диамагнетиков, у которых магнитная восприимчивость χ = −1 (идеальный диамагнетизм). При переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью выталкивается из объёма образца (эффект Мейснера). В отличие от обычных диамагнетиков, сверхпроводники являются сильными магнетиками, способными левитировать в магнитном поле.

Проявления диамагнетизма

Левитация

Диамагнетизм лежит в основе эффекта магнитной левитации. В сильном неоднородном магнитном поле диамагнетик (например, кусочек графита или капля воды) может парить в воздухе. Наиболее ярко это проявляется у сверхпроводников: сверхпроводящий образец может левитировать над магнитом или под ним, удерживаясь силами выталкивания. В 1997 году в Нидерландах была продемонстрирована левитация лягушки (живой организм на 70-80% состоит из воды) в магнитном поле напряжённостью около 16 Тл.

Диамагнетизм воды

Вода является слабым диамагнетиком. Это свойство используется в некоторых биологических и медицинских исследованиях, например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ), где контраст изображения определяется различиями в магнитных свойствах тканей, содержащих воду. В сильных магнитных полях (выше 10 Тл) вода может проявлять заметное отталкивание, что используется в экспериментах по разделению веществ.

Применение

Диамагнетизм находит применение в науке и технике, хотя и реже, чем ферро- или парамагнетизм:

• Магнитная сепарация — разделение смесей веществ с разной магнитной восприимчивостью. Диамагнитные частицы (например, кварц, кальцит) отталкиваются от магнита, что позволяет отделить их от парамагнитных или ферромагнитных примесей.
• Магнитная левитация — используется в транспортных системах (например, поезда на магнитной подушке — маглев). В таких системах поезд удерживается над путями за счёт отталкивания сверхпроводящих магнитов от диамагнитных материалов (например, графита) или за счёт взаимодействия сверхпроводников с постоянными магнитами.
• Научные исследования — диамагнетизм используется для измерения магнитной восприимчивости веществ, что позволяет изучать их электронную структуру, чистоту и фазовые переходы. В физике твёрдого тела диамагнитный вклад учитывается при анализе магнитных свойств сверхпроводников и низкоразмерных систем.
• Медицина — в МРТ диамагнетизм воды в тканях тела является основой для получения изображений. Контрастные вещества, изменяющие локальную магнитную восприимчивость, позволяют улучшить визуализацию органов и патологий.

Интересные факты

• Самый сильный диамагнетик среди обычных (не сверхпроводящих) веществ — пиролитический графит. Его магнитная восприимчивость вдоль оси c (перпендикулярно слоям) достигает χ ≈ −4,5×10⁻⁴, что позволяет кусочку графита левитировать над сильным неодимовым магнитом даже при комнатной температуре.
• Диамагнетизм всех веществ является универсальным, но в парамагнетиках и ферромагнетиках он маскируется более сильными эффектами. Например, у железа диамагнитный вклад составляет менее 0,01% от его ферромагнитного момента.
• В 2015 году российские учёные из Института физики твёрдого тела РАН (г. Черноголовка) продемонстрировали левитацию капли воды в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом, что до этого считалось возможным только в сверхпроводящих магнитах.

Источники

• Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 8. Электродинамика сплошных сред. — М.: Физматлит, 2005.
• Савельев И. В. Основы теоретической физики. Т. 2. Квантовая механика. — М.: Наука, 1991.
• Вонсовский С. В. Магнетизм. — М.: Наука, 1971.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.