Диамагнетизм — это форма магнитного поведения вещества, характеризующаяся появлением слабого магнитного момента, направленного против внешнего магнитного поля. В отличие от парамагнетиков и ферромагнетиков, диамагнитные вещества не обладают собственной спонтанной намагниченностью и не сохраняют магнитное состояние после снятия внешнего поля.
Диамагнитные свойства атомов обусловлены движением электронов в атомах. Когда внешнее магнитное поле прикладывается к атому, электроны, движущиеся по орбитам, реагируют на это поле, создавая индуцированный магнитный момент, направленный противоположно полю.
Основой диамагнетизма является закон Ленца: возникающий ток в атоме стремится противодействовать изменению магнитного потока. В атомной физике этот процесс рассматривается через орбитальные движения электронов:
Таким образом, диамагнитное поведение проявляется даже у атомов с полностью заполненными электронными оболочками, где суммарный спин и орбитальный момент равны нулю.
С точки зрения квантовой механики, диамагнетизм объясняется через оператор магнитного момента, действующий на волновую функцию электрона. Индуцированный магнитный момент μ⃗ind пропорционален напряжённости внешнего поля B⃗:
μ⃗ind = −χB⃗,
где χ — диамагнитная восприимчивость, положительное значение которой отражает направленность против поля. Для атомов с полностью заполненными оболочками формула для χ может быть выведена через второй порядок возмущения по энергии:
$$ \chi = -\frac{e^2}{6m} \sum_n \frac{|\langle 0 | \vec{r} | n \rangle|^2}{E_n - E_0}, $$
где e — заряд электрона, m — масса, |0⟩ — основное состояние, |n⟩ — возбужденные состояния, а En − E0 — разности энергий. Эта формула подчёркивает квантовую природу диамагнетизма: он возникает из переходов между уровнями энергии при воздействии поля.
Диамагнитные вещества обладают отрицательной магнитной восприимчивостью (χ < 0), что отражает направленность индуцированного момента против внешнего поля.
Примеры диамагнитных атомов и веществ:
Магнитная восприимчивость у диамагнетиков обычно мала: порядка 10−5 − 10−6. У некоторых тяжёлых атомов, таких как висмут, диамагнетизм заметно усиливается за счёт большого радиуса электронных оболочек и высокой поляризуемости.
У некоторых элементов наблюдаются аномально сильные диамагнитные эффекты. Например, у висмута и графита они выше, чем у большинства лёгких атомов. Это связано с:
Диамагнетизм практически не зависит от температуры, так как индуцированный магнитный момент не связан со спиновыми выравниваниями, как в случае парамагнетиков. Это свойство позволяет диамагнитные вещества использовать в измерительных и стабилизационных устройствах, где важно сохранение постоянного магнитного поведения при изменении температуры.
Диамагнитные материалы находят применение в:
Диамагнетизм — фундаментальный квантово-механический эффект, проявляющийся даже в самых стабильных атомах с заполненными оболочками, и служит важной основой для понимания взаимодействия материи с магнитными полями.