Диамагнетизм — это фундаментальное свойство материалов, проявляющееся в их слабом отталкивании от внешнего магнитного поля. Оно возникает у всех веществ, но у некоторых соединений доминирует и заметно проявляется только при отсутствии более сильных магнитных эффектов, таких как парамагнетизм или ферромагнетизм. Основой диамагнетизма является реакция электронных оболочек атомов и молекул на внешнее магнитное поле.
Электроны, вращающиеся вокруг ядра, создают микроскопические токи. При наложении внешнего магнитного поля происходит индуцирование дополнительных токов, направленных так, чтобы ослабить воздействие внешнего поля. Этот эффект полностью объясняется законами классической электродинамики и квантовой механики, но его квантовомеханическое описание дает точное количественное значение диамагнитной восприимчивости.
Классическая картина Лоренца При движении заряженных частиц в магнитном поле на них действует сила Лоренца, которая изменяет траекторию движения. В замкнутых электронных орбитах это приводит к возникновению индуцированных токов, направление которых противоположно внешнему магнитному полю. Таким образом создается индуцированное магнитное поле, которое ослабляет внешнее поле внутри вещества.
Квантовомеханическая интерпретация В квантовой механике движение электронов описывается орбитальными и спиновыми квантовыми числами. Диамагнитная восприимчивость обусловлена изменением энергии электронных уровней при наложении внешнего магнитного поля (эффект Ланде и Ланде-Крамер). В результате суммарный магнитный момент атома направлен против поля.
Роль полной заполненности оболочек Наиболее выражен диамагнетизм у веществ с полностью заполненными электронными оболочками (например, благородные газы, большинство органических молекул). В таких системах нет собственного спинового или орбитального магнитного момента, и индуцированное поле является единственным вкладом в магнитную реакцию.
Магнитная восприимчивость (χ) Диамагнетики характеризуются отрицательной магнитной восприимчивостью (χ < 0), обычно очень малой: χ ∼ −10−6 ÷ −10−5. Это означает, что материал слабо противодействует внешнему полю.
Поляризация магнитного момента Индуцированный магнитный момент M пропорционален напряженности внешнего поля H:
M = χH
Направление магнитного момента противоположно полю.
Температурная независимость Диамагнетизм, в отличие от парамагнетизма, практически не зависит от температуры, так как не связан с ориентацией спиновых моментов.
Диамагнитные материалы находят применение в магнитной левитации, в качестве экранов для защиты от магнитного поля и в точной настройке чувствительных магнитометрических приборов.
Метод Гаусса и квантовые методы Измеряют отклонение вещества в магнитном поле или использование SQUID-магнитометров для точного определения магнитного момента.
Силовой метод В опытных установках вещество помещается в неоднородное магнитное поле, и измеряется сила, действующая на него. Диамагнетики испытывают слабое отталкивание.
Эффект Левитации Для сверхчистых диамагнетиков с высокой отрицательной восприимчивостью (например, графит, висмут) при сильном магнитном поле можно наблюдать эффект подвешивания над магнитом.
Особенность диамагнетизма в том, что он является универсальным свойством всех материалов, но его практическое проявление заметно лишь при отсутствии других магнитных эффектов или в сильно точных экспериментах.