Всем известно, что каждый электрон обладает лишь очень малым магнитным моментом. Но электронов в любой части вещества огромное количество и сумма их магнитных моментов представляла бы очень сильный магнит. Однако большинство магнитных моментов взаимно компенсируются. Но не все.
Так, например, у железа 26 электронов. Однако сначала вспомним, что электронные оболочки располагаются на трёх взаимно перпендикулярных друг к другу плоскостях (одна горизонтальная и две вертикальных X и Y). При этом:
- I период имеет одну гармонику s (первая гармоника) - 2 электрона, которые размещены на горизонтальной плоскости (кстати, нельзя забывать и то, что электрон – это полуволна);
- II период имеет две гармоники: s (первая) - 2 электрона и р (третья) - 6 электронов, всего 8 электронов на вертикальной плоскости Х;
- III период имеет тоже две гармоники: s (первая) - 2 электрона и р (третья) - 6 электронов, всего 8 электронов, но уже на вертикальной плоскости Y, которая перпендикулярна плоскости Х;
- IV период имеет три гармоники: s (первая) - 2 электрона, d (пятая) - 10 электронов и р (третья) - 6 электронов, всего 18 электронов, на вертикальной плоскости Х. Здесь и далее каждый период завершается третьей гармоникой d;
- V период имеет тоже три гармоники: s (первая) - 2 электрона, d (пятая) - 10 электронов и р (третья) - 6 электронов, всего 18 электронов, но уже на вертикальной плоскости Y;
- VI период имеет четыре гармоники: s (первая) - 2 электрона, f (седьмая) - 14 электронов, d (пятая) - 10 электронов и р (третья) - 6 электронов, всего 32 электрона на вертикальной плоскости Х;
- VII период имеет тоже четыре гармоники: s (первая) - 2 электрона, f (седьмая) - 14 электронов, d (пятая) - 10 электронов и р (третья) - 6 электронов, всего 32 электрона но уже на вертикальной плоскости Y.
Всего на указанных оболочках может располагаться 118 электронов. Подробнее строение электронных оболочек в атомах таблицы Менделеева мы рассматривали в статье 14 «Волновая теория поля».
Исходя из вышеизложенного, электроны в атоме железа распределяются следующим образом:
а) два электрона (первая гармоника s) находятся в противофазе на горизонтальной оболочке (осталось 24 электрона);
б) по два электрона (первая гармоника s) и по шесть электронов (третья гармоника р) находятся в противофазе на двух вертикальных оболочках X и Y (осталось 8 электронов);
в) два электрона (первая гармоника s) в противофазе и шесть электронов (пятая гармоника d) находятся в следующей вертикальной оболочке X. В этой гармонике в противофазе находятся только два электрона, а у четырёх электронов магнитные моменты не скомпенсированы, ибо в пятой гармонике место для 10-ти электронов (полуволн), а фактически их там только 6. Такая структура обеспечивает не только заметный положительный магнитный момент у атома железа в 4 единицы, но и положительную валентность.
Аналогичная структура электронных оболочек у кобальта (суммарный магнитный момент в 3 единицы) и никеля (2 единицы).
Кстати эти элементы (и некоторые их сплавы) мы относим к ферромагнетикам. Объясняется это довольно просто. Если в неоднородное магнитное поле поместить магнитный диполь железа, то он будет не только поворачиваться вдоль линий поля, но и двигаться в сторону более сильного поля.
Многие другие вещества, такие как хром, марганец, палладий, тоже будут втягиваться в область сильного поля, но действующая на такие вещества сила будет примерно на два – три порядка меньше силы, действующей на железо (особенно у алюминия).
Вещества, у которых проявляется этот очень слабый магнитный эффект, называются парамагнитными.
Для образного понимания причины слабого магнитного момента у алюминия (13 электронов) рассмотрим структуру его электронных оболочек:
а) два электрона (первая гармоника s) находятся в противофазе на горизонтальной оболочке (осталось 11 электронов);
б) два электрона (первая гармоника s) и шесть электронов (третья гармоника р) находятся в противофазе на вертикальной оболочке X. Остальные три электрона расположены на вертикальной оболочке Y - два электрона (первая гармоника s) - в противофазе и только один электрон расположен на третьей гармонике р. Только у этого электрона не скомпенсирован магнитный момент.
Однако есть и некоторые вещества (висмут, мышьяк, ртуть, серебро, свинец, медь), у которых атомные диполи имеют отрицательный знак и это заставляет их двигаться в область более слабого поля. Этот эффект называется диамагнетизмом.
Рассмотрим его более подробно на примере меди (29 электронов). Здесь структура электронных оболочек такова:
а) два электрона (первая гармоника s) находятся в противофазе на горизонтальной оболочке;
б) по два электрона (первая гармоника s) и по шесть электронов (третья гармоника р) находятся в противофазе на двух вертикальных оболочках X и Y;
в) два электрона (первая гармоника s) в противофазе и девять электронов (пятая гармоника d) находятся в следующей вертикальной оболочке X. Эта гармоника включает в себя 10 полуволн, а в наличии их всего 9. Поэтому в этой гармонике в противофазе находятся восемь электронов и не скомпенсированным остаётся только один магнитный момент полуволны.
Итак, медь имеет такой же слабый магнитный момент, как и у алюминия, у которого тоже не скомпенсирован один электрон, но этот электрон находится в начале третьей гармоники р на вертикальной оболочке Y. А у меди, наоборот, не хватает одного электрона в конце пятой гармоники d на вертикальной оболочке Х. Именно поэтому у атомов этих элементов магнитные моменты имеют разные знаки.
Теперь нам ясен и физический смысл опыта Штерна – Герлаха, показавшего нам, что пространственная ориентация углового момента квантована. В этом опыте атомы серебра пропускались через неоднородное магнитное поле, которое отклоняло их до того, как они попадали на экран детектора. Экран показал дискретные точки на экране, благодаря их квантованному СПИНУ.
Почему так произошло? Дело в том, что у серебра 47 электронов и у него, как и у меди не хватает одного электрона в конце пятой гармоники d, но уже не на вертикальной оболочке Х, а на оболочке Y. Это значит, что у предпоследнего электрона пятой гармоники d не скомпенсирован магнитный момент. Этот электрон (полуволна) появляется то над осью колебаний с положительным спином, то ниже этой оси с отрицательным спином. Именно поэтому проходящие через установку Штерна – Герлаха полуволны (электроны) отклоняются то вверх, то вниз на определённую величину.