البنية المغناطيسية

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
بنية مغناطيسية حديدية بسيطة للغاية
بنية مضادة للمغناطيسية بسيطة للغاية
ترتيب مضاد للمغناطيسية بسيط مختلف في بُعدين

يشير مصطلح البنية المغناطيسية للمادة إلى الترتيب المنتظم للدوران المغناطيسي، عادةً ضمن شبكة بلورية منتظمة . ودراستها فرع من فروع فيزياء الحالة الصلبة .

الهياكل المغناطيسية

معظم المواد الصلبة غير مغناطيسية، أي أنها لا تُظهر بنية مغناطيسية. وبسبب مبدأ استبعاد باولي ، تشغل الإلكترونات ذات اللف المغزلي المتعاكس كل حالة، مما يؤدي إلى تعويض كثافة الشحنة في كل مكان، وبالتالي تصبح درجة حرية اللف المغزلي ضئيلة. ومع ذلك، تُظهر هذه المواد عادةً سلوكًا مغناطيسيًا ضعيفًا، على سبيل المثال بسبب المغناطيسية المعاكسة أو المغناطيسية المسايرة لباولي .

الحالة الأكثر إثارة للاهتمام هي عندما تنكسر إلكترونات المادة تلقائيًا التناظر المذكور أعلاه. في حالة المغناطيسية الحديدية في الحالة الأرضية، يوجد محور تكميم مغزلي مشترك وفائض عام من الإلكترونات ذات عدد كمي مغزلي معين، حيث يكون عدد الإلكترونات المتجهة في اتجاه واحد أكبر من عددها في الاتجاه الآخر، مما يُعطي مغنطة كلية (عادةً ما تُختار الإلكترونات الأغلبية للتوجه للأعلى). في أبسط حالات المغناطيسية المضادة (الخطية) ، لا يزال هناك محور تكميم مشترك، لكن المغازل الإلكترونية تتجه بالتناوب للأعلى والأسفل، مما يؤدي مرة أخرى إلى إلغاء المغنطة الكلية. مع ذلك، وتحديدًا في حالة إحباط التفاعلات، يمكن أن تصبح البنى الناتجة أكثر تعقيدًا، مع توجهات ثلاثية الأبعاد متأصلة للمغازل المحلية. وأخيرًا، فإن المغناطيسية الحديدية كما تظهر بشكل نموذجي في الماغنيتيت هي حالة وسيطة إلى حد ما: هنا يكون التمغنط غير معوض بشكل عام كما هو الحال في المغناطيسية الحديدية، لكن التمغنط المحلي يشير في اتجاهات مختلفة.

يتناول النقاش أعلاه بنية الحالة الأرضية. وبطبيعة الحال، تؤدي درجات الحرارة المحدودة إلى إثارة التكوين المغزلي. وهنا يمكن مقارنة وجهتي نظر متطرفتين: في نموذج ستونر للمغناطيسية (المعروف أيضًا بالمغناطيسية المتنقلة)، تكون الحالات الإلكترونية غير متمركزة، ويؤدي تفاعلها في المجال المتوسط ​​إلى كسر التناظر. ووفقًا لهذا النموذج، مع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض ​​التمغنط الموضعي بشكل متجانس، حيث تنتقل الإلكترونات غير المتمركزة من القناة العلوية إلى القناة السفلية. من ناحية أخرى، في حالة العزم الموضعي، تكون الحالات الإلكترونية متمركزة في ذرات محددة، مما يُعطي مغازل ذرية تتفاعل فقط على مدى قصير، وعادةً ما تُحلل باستخدام نموذج هايزنبرغ . هنا، تؤدي درجات الحرارة المحدودة إلى انحراف اتجاهات المغازل الذرية عن التكوين المثالي، وبالتالي، بالنسبة للمغناطيس الحديدي، ينخفض ​​التمغنط الكلي أيضًا.

بالنسبة للمغناطيسية الموضعية، يمكن وصف العديد من البنى المغناطيسية بواسطة مجموعات الفضاء المغناطيسية ، التي توفر وصفًا دقيقًا لجميع مجموعات التناظر الممكنة لتكوينات الأعلى/الأسفل في بلورة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، فإن هذا النموذج غير قادر على تفسير بعض البنى المغناطيسية الأكثر تعقيدًا، مثل تلك الموجودة في المغناطيسية الحلزونية .

أساليب دراستهم

يمكن دراسة هذا الترتيب من خلال رصد القابلية المغناطيسية كدالة لدرجة الحرارة و/أو شدة المجال المغناطيسي المُطبق، ولكن أفضل طريقة للحصول على صورة ثلاثية الأبعاد حقيقية لترتيب العزوم المغناطيسية هي باستخدام حيود النيوترونات . [ 1 ] [ 2 ] تتشتت النيوترونات بشكل أساسي بواسطة نوى الذرات في البنية. عند درجة حرارة أعلى من نقطة ترتيب العزوم المغناطيسية، حيث تتصرف المادة كمادة بارامغناطيسية، فإن حيود النيوترونات سيعطي صورة للبنية البلورية فقط. أما عند درجة حرارة أقل من نقطة الترتيب، مثل درجة حرارة نيل للمغناطيس المضاد أو درجة حرارة كوري للمغناطيس الحديدي، فإن النيوترونات ستتعرض أيضًا للتشتت من العزوم المغناطيسية لأنها تمتلك عزمًا مغناطيسيًا. وبالتالي، ستتغير شدة انعكاسات براغ . في الواقع، في بعض الحالات، ستظهر انعكاسات براغ جديدة تمامًا إذا كانت وحدة الخلية للترتيب أكبر من وحدة الخلية للبنية البلورية. هذا شكل من أشكال تكوين البنية الفوقية . لذا، قد يختلف تناظر البنية الكلية عن تناظر البنية البلورية الفرعية. ويجب وصفها بإحدى المجموعات الفراغية المغناطيسية ( شوبنيكوف ) البالغ عددها 1651 مجموعة ، بدلاً من إحدى المجموعات الفراغية غير المغناطيسية. [ 3 ]

على الرغم من أن حيود الأشعة السينية العادي لا يُظهر ترتيب اللف المغزلي، فقد أصبح من الممكن استخدام نوع خاص منه لدراسة البنية المغناطيسية. عند اختيار طول موجي قريب من حافة امتصاص أحد العناصر المكونة للمواد، يصبح التشتت شاذًا، ويكون هذا الجزء من التشتت حساسًا (إلى حد ما) للشكل غير الكروي للإلكترونات الخارجية لذرة ذات لف مغزلي منفرد. هذا يعني أن هذا النوع من حيود الأشعة السينية الشاذ يحتوي على معلومات من النوع المطلوب.

في الآونة الأخيرة، يجري تطوير تقنيات سطحية تسمح بدراسة الهياكل المغناطيسية دون اللجوء إلى مصادر النيوترونات أو السنكروترون. [ 4 ]

التركيب المغناطيسي للعناصر الكيميائية

ثلاثة عناصر فقط تتمتع بخاصية المغناطيسية الحديدية عند درجة حرارة وضغط الغرفة: الحديد ، والكوبالت ، والنيكل . ويعود ذلك إلى أن درجة حرارة كوري ( Tc ) لهذه العناصر أعلى من درجة حرارة الغرفة ( Tc > 298 كلفن). يتميز الغادولينيوم بتمغنط تلقائي عند درجة حرارة أقل بقليل من درجة حرارة الغرفة (293 كلفن)، ويُصنف أحيانًا كعنصر رابع من عناصر المغناطيسية الحديدية. وقد أشارت بعض الدراسات إلى أن الغادولينيوم يمتلك ترتيبًا مغناطيسيًا حلزونيًا ، [ 5 ] بينما يدافع آخرون عن الرأي السائد منذ زمن طويل بأنه مغناطيس حديدي تقليدي. [ 6 ]

يمتلك كل من عنصري الديسبروزيوم والإربيوم تحولين مغناطيسيين. فهما بارامغناطيسيان عند درجة حرارة الغرفة، لكنهما يصبحان هيليين مغناطيسيين تحت درجة حرارة نيل الخاصة بهما، ثم يصبحان فيرومغناطيسيين تحت درجة حرارة كوري الخاصة بهما. أما عناصر الهولميوم والتيربيوم والثوليوم فتُظهر بنى مغناطيسية أكثر تعقيدًا. [ 7 ]

يوجد أيضًا ترتيب مضاد للمغناطيسية، والذي يصبح غير منتظم فوق درجة حرارة نيل . يُشبه الكروم إلى حد ما مضادًا بسيطًا للمغناطيسية، ولكنه يتميز أيضًا بتعديل موجة كثافة اللف المغزلي غير المتوافق بالإضافة إلى التناوب البسيط لللف المغزلي لأعلى ولأسفل. [ 8 ] يحتوي المنغنيز (في شكل α-Mn) على 29 ذرة في وحدة الخلية ، مما يؤدي إلى ترتيب مضاد للمغناطيسية معقد ولكنه متوافق عند درجات الحرارة المنخفضة ( المجموعة الفراغية المغناطيسية P42'm '). [ 9 ] [ 10 ] على عكس معظم العناصر، التي تكون مغناطيسية بسبب الإلكترونات، فإن الترتيب المغناطيسي للنحاس والفضة يهيمن عليه العزم المغناطيسي النووي الأضعف بكثير (قارن بين مغنيتون بور والمغنيتون النووي )، مما يؤدي إلى درجات حرارة انتقالية قريبة من الصفر المطلق . [ 11 ] [ 12 ]

تُظهر العناصر التي تصبح موصلات فائقة خاصية المغناطيسية الفائقة عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة حرجة.

لا.اسمدرجة حرارة التوصيل الفائقدرجة حرارة كوريدرجة حرارة نيل
3الليثيوم0.0004 كلفن [ 13 ]
13الألومنيوم1.18 ألف [ 13 ]
22التيتانيوم0.5 ألف [ 13 ]
23الفاناديوم5.4 ألف [ 13 ]
24الكروم311 ألف [ 14 ]
25المنغنيز100 ألف [ 14 ]
26حديد1044 كيلوجول [ 15 ]
27الكوبالت1390 كيلوجول [ 15 ]
28النيكل630 ألف [ 15 ]
29نحاس6 * 10 −8 K [ 14 ]
30الزنك0.85 كلفن [ 13 ]
31الغاليوم1.08 ألف [ 13 ]
40الزركونيوم0.6 ألف [ 13 ]
41النيوبيوم9.25 ألف [ 13 ]
42الموليبدينوم0.92 ألف [ 13 ]
43التكنيتيوم8.2 ألف [ 13 ]
44الروثينيوم0.5 ألف [ 13 ]
45الروديوم0.0003 كلفن [ 13 ]
46البلاديوم1.4 ألف [ 13 ]
47فضي5.6 * 10 −10 K [ 14 ]
48الكادميوم0.52 كلفن [ 13 ]
49الإنديوم3.4 ألف [ 13 ]
50القصدير3.7 ألف [ 13 ]
57اللانثانوم6 ألف [ 13 ]
58السيريوم13 ألف [ 14 ]
59براسيوديميوم25 ألف [ 14 ]
60النيوديميوم19.9 ألف [ 14 ]
62الساماريوم13.3 ألف [ 14 ]
63اليوروبيوم91 ألف [ 14 ]
64الغادولينيوم293.4 كيلو بايت [ 15 ]
65تيربيوم221 ألف [ 15 ]230 ألف [ 14 ]
66ديسبروسيوم92.1 ألف [ 15 ]180.2 ألف [ 14 ]
67الهولميوم20 ألف [ 15 ]132.2 ألف [ 14 ]
68الإربيوم18.74 ألف [ 15 ]85.7 ألف [ 14 ]
69الثوليوم32 ألف [ 15 ]56 ألف [ 14 ]
71لوتيتيوم0.1 ألف [ 13 ]
72الهافنيوم0.38 ألف [ 13 ]
73التنتالوم4.4 ألف [ 13 ]
74التنجستن0.01 ألف [ 13 ]
75الرينيوم1.7 ألف [ 13 ]
76الأوزميوم0.7 ألف [ 13 ]
77إيريديوم0.1 ألف [ 13 ]
80الزئبق4.15 ألف [ 13 ]
81الثاليوم2.4 ألف [ 13 ]
82يقود7.2 ألف [ 13 ]
90الثوريوم1.4 ألف [ 13 ]
91بروتاكتينيوم1.4 ألف [ 13 ]
92اليورانيوم1.3 ألف [ 13 ]
95الأمريسيوم1 ألف [ 13 ]

مراجع

  1. ↑ حيود النيوترونات للمواد المغناطيسية / يو. أ. إيزيوموف، في. إي. نايش، و ر. ب. أوزيروف؛ ترجمة من الروسية: يواكيم بوشنر. نيويورك : مكتب الاستشارات، ١٩٩١. ISBN 030611030X
  2. ↑ عرض توضيحي من برايان توبي
  3. ↑ كيم ، شون ك. (1999). أساليب نظرية الزمر وتطبيقاتها على الجزيئات والبلورات (نسخة مطبوعة رقميًا ، الطبعة الأولى ذات الغلاف الورقي). كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج. ص 428. ISBN   978-0-521-64062-6.
  4. ↑ مي، أنطونيو ب.؛ غراي، إشعيا؛ تانغ، يونغجيان؛ شوبرت، يورغن؛ فيردر، دون؛ بارتيل، جيسون؛ رالف، دانيال س.؛ فوكس، غريغوري د.؛ شلوم، داريل ج. (2020). "التحكم الضوئي الحراري الموضعي في التحولات الطورية لتشكيل أنماط مغناطيسية قابلة لإعادة الكتابة عند الطلب في درجة حرارة الغرفة" . المواد المتقدمة . 32 (22) 2001080. arXiv : 1906.07239 . Bibcode : 2020AdM....3201080M . doi : 10.1002/adma.202001080 . ISSN 1521-4095 . PMID 32319146. S2CID 189998035 .   
  5. ↑ كوي، جيه إم دي؛ سكومرييف، في؛ غالاغر، ك. (1999). "هل الغادولينيوم مغناطيسي حديدي حقًا؟". مجلة نيتشر . 401 (6748). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​ذ.م.م: 35-36 . doi : 10.1038/43363 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4383791 .  
  6. ↑ كاول، إس إن (2003). "هل الغادولينيوم مضاد مغناطيسي حلزوني أم مغناطيسي حديدي خطي؟". برامانا . 60 (3). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​ذ.م.م: 505-511 . رمز Bibcode : 2003Prama..60..505K . doi : 10.1007/bf02706157 . ISSN 0304-4289 . S2CID 56409310 .  
  7. ↑ جنسن، ينس؛ ماكنتوش، آلان (1991). مغناطيسية العناصر الأرضية النادرة: البنى والإثارات (ملف PDF) . أكسفورد: مطبعة كلارندون . تاريخ الاسترجاع : 9 أغسطس 2020 .
  8. ↑ ماركوس، ب.م.؛ كيو، س.ل.؛ موروزي، ف.ل. (27-07-1998). "آلية المغناطيسية المضادة في الكروم". مجلة الفيزياء: المادة المكثفة . 10 (29). دار نشر IOP: 6541-6552 . رمز Bibcode : 1998JPCM...10.6541M . doi : 10.1088/0953-8984/10/29/014 . ISSN: 0953-8984 . S2CID : 250905837 .  
  9. ↑ لوسون، أ.س.؛ لارسون، ألين س.؛ آرونسون، م.س.؛ جونسون، س.؛ فيسك، ز.؛ كانفيلد، ب.س .؛ طومسون، ج.د.؛ فون دريل، ر.ب. (15-11-1994). "الترتيب المغناطيسي والبلوري في ألفا-منغنيز". مجلة الفيزياء التطبيقية . 76 (10). منشورات معهد الفيزياء الأمريكي: 7049-7051 . رمز Bibcode : 1994JAP....76.7049L . doi : 10.1063/1.358024 . ISSN 0021-8979 . 
  10. ^ يامادا، تاكيمي. كونيتومي، نوبوهيكو؛ ناكاي، يوتاكا؛ إي. كوكس، د.؛ شيران، ج. (15/03/1970). “التركيب المغناطيسي لـ α-Mn”. مجلة الجمعية الفيزيائية في اليابان . 28 (3). الجمعية الفيزيائية اليابانية: 615–627 . بيب كود : 1970JPSJ...28..615Y . دوى : 10.1143/jpsj.28.615 . ISSN 0031-9015 . 
  11. ↑ هويكو، إم تي (1984). "المغناطيسية النووية في النحاس عند درجات حرارة نانوكلفن وفي مجالات مغناطيسية خارجية منخفضة". فيزيكا ب+ج . 126 ( 1-3 ). إلسيفير بي في: 51-61 . رمز Bibcode : 1984PhyBC.126...51H . doi : 10.1016/0378-4363(84)90145-1 . ISSN 0378-4363 . 
  12. ↑ هاكونين، بي جيه (1993-01-01). "الترتيب المغناطيسي النووي في الفضة عند درجات حرارة الدوران الموجبة والسالبة". فيزيكا سكريبت . T49A . دار نشر IOP: 327-332 . Bibcode : 1993PhST...49..327H . doi : 10.1088/0031-8949/1993/t49a/057 . ISSN 0031-8949 . S2CID 250746005 .  
  13. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ ١٤ ١٥ ١٦ ١٧ ١٨ ١٩ ٢٠ ٢١ ٢٢ ٢٣ ٢٤ ٢٥ ٢٦ ٢٧ ٢٨ ٢٩ ٣٠ ٣١ ج. و. ويب، ف . مارسيجليو، ج. إ. هيرش (٢٠١٥). "الموصلية الفائقة في العناصر والسبائك والمركبات البسيطة". فيزيكا ج: الموصلية الفائقة وتطبيقاتها . ٥١٤ : ١٧-٢٧ . arXiv : ١٥٠٢.٠٤٧٢٤ . Bibcode : ٢٠١٥PhyC..٥١٤...١٧W . doi : ١٠.١٠١٦/j.physc.٢٠١٥.٠٢.٠٣٧ . S2CID ١١٩٢٩٠٨٢٨ . {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  14. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 " دليل العناصر: نقطة نيل" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 سبتمبر 2018 .
  15. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 "دليل العناصر: نقطة كوري" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 سبتمبر 2018 .