Czym jest diamagnetyzm i paramagnetyzm?

Czym jest diamagnetyzm? Co jest jego źródłem? Skąd bierze się paramagnetyzm? Co jest paramagnetykiem, a co diamagnetykiem?

Magnetyzm jako cecha kwantowa

Przez tysiące lat magnetyzm był zjawiskiem owianym tajemnicą. Nie potrafiliśmy przyjrzeć się otaczającej nas materii na tyle dokładnie, by odkryć jego źródło. Początkowo uznawany był za ciekawostkę, później wiązano go z przepływem prądu elektrycznego, by w końcu, w XX wieku odkryć jego prawdziwe źródło: spin kwantowy. Tę jakże ciekawą historię przedstawiłem w poprzednim artykule, do którego link znajdziesz poniżej:

Skąd bierze się magnetyzm? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Dziś zamierzam kontynuować ten wątek. Pokaże ci 2 podstawowe oblicza magnetyzmu, których zrozumienie jest niezbędne do wprowadzenia pojęcia ferromagnetyzmu, elektromagnetyzmu i indukcji. Jak działa transformator, silnik elektryczny i cewka? Wszystko to zaczyna się tutaj – w teorii magnetyzmu. Zaczynamy!

Dlaczego atomy tracą magnetyzm?

W poprzednim artykule pisałem o tym, że magnetyzm atomu zależy od ilości niesparowanych elektronów jakie posiada. Komplet par oznacza znikomą reakcję atomu na magnes, a im więcej ,,samotnych elektronów”, tym ta reakcja staje się silniejsza. Ilość niesparowanych elektronów jakie ma każdy z pierwiastków doskonale widać na poniższym układzie okresowym:

I tutaj należy niezwykle uważać – magnetyzm pojedynczego pierwiastka to coś zupełnie innego niż magnetyzm materii złożonej z wielu atomów. Przykład? Atom węgla (C) posiada dwa niesparowane elektrony – jest to zatem całkiem magnetyczny pierwiastek. Mimo to nawet najpotężniejszy magnes nie będzie w stanie przyciągnąć do siebie choćby małej bryłki węgla.

Gdzie leży problem? Może dwa niesparowane elektrony to zbyt mało, a bryłka węgla jest zwyczajnie za ciężka? To niestety błędny wniosek. Taki mangan na przykład (Mn) posiada rekordową liczbę aż 5 niesparowanych elektronów, a w rzeczywistości ledwie zauważa istnienie magnesu. Żelazo (Fe) i chrom (Cr) posiadają ich po 4, gdzie żelazo to jeden z najbardziej magnetycznych materiałów jakie znamy, a chrom jest na magnes wręcz bezczelnie obojętny. Co takiego dzieje się z magnetyzmem, że potrafi zniknąć on w momencie łączenia się atomów w struktury? Oto przykładowa sytuacja.

Azot to pierwiastek posiadający 7 elektronów, z czego aż 3 są niesparowane. Brzmi niezwykle magnetycznie prawda? Problem azotu (jak i większości pierwiastków) polega na tym, że taki stan rzeczy kompletnie mu nie odpowiada. Atomy nie lubią być ani ,,naelektryzowane”, ani ,,namagnetyzowane”. Dlatego też dążą one do swego rodzaju ,,atomowej nirwany”, którą spełnić mogą dwa warunki:

• dokładnie taka sama liczba elektronów i protonów (dzięki temu atom jest elektrycznie obojętny)
• całkowicie wypełnione powłoki elektronowe (gwarantuje to komplet par elektronowych i przy okazji obojętność magnetyczną)

Warunki te to klasyczna sytuacja typu ,,zjeść ciastko i mieć ciastko”. Siedem elektronów jakie azot ma w standardzie zapewnia mu obojętność elektryczną, ale przez te 3, które są niesparowane, jest on dość magnetycznym atomem. Jeżeli postanowi on dobrać sobie dodatkowe 3 elektrony, to oczywiście stanie się on obojętny magnetycznie, ale wtedy mocno wzrośnie ujemny ładunek atomu, przez co straci on obojętność elektryczną. Co zatem może taki biedny atom azotu zrobić? Naturalnie znaleźć sobie kompana, z którym mógłby brakujące elektrony współdzielić.

Wiedziałeś, że azot nie występuje w przyrodzie w postaci pojedynczych atomów? Jego naturalnym wcieleniem jest widoczna wyżej molekuła N₂. Tak naprawdę mało który pierwiastek lubi ,,atomową samotność”, bo z tworzenia przeróżnych wiązań i struktur wynika wiele energetycznych korzyści. Energia nie jest jednak tematem tego artykułu – najistotniejszy dla nas jest fakt, że przy takim wiązaniu oba atomy azotu udostępniają sobie elektrony do pary i powstała w ten sposób molekuła N₂ przestaje być ,,małym magnesem”. Przykład ten zawiera rzecz jasna wiele skrótów myślowych i wszystkich chemików urażonych tym bezpardonowym uproszczeniem przepraszam. Ideą moją jest jednak pokazanie, że przy okazji tworzenia się struktur atomowych istotnie może zmienić się ich natura magnetyczna. A jako, że atomy dążą do neutralności, to magnetyzm jest zazwyczaj zatracany, jak w przypadku azotu, węgla czy manganu. Nie dzieje się tak oczywiście zawsze, dlatego teraz porozmawiamy sobie o magnetyzmie, który może w takich atomach pozostać.

Magnetyczne odpychanie

Magnesy potrafią przyciągać nie tylko siebie nawzajem, ale też przeróżne przedmioty wykonane z żelaza – śruby, gwoździe, spinacze, czy drzwi lodówki. A czy wiesz, że istnieją takie obiekty, które będą zawsze przez magnes odpychane?

Po raz pierwszy fakt odpychania niektórych obiektów przez magnesy zauważył w 1778 roku niejaki Anton Brugmans. Był on wówczas zafascynowany faktem, że bizmut ucieka zarówno od bieguna północnego jak i południowego magnesu. Dalsze badania ponad 50 lat później podjął Michael Faraday, który tego typu materiałów odkrył więcej. Wśród nich były przeróżne metale (np. arsen, uran), kwasy, siarczany, minerały, ale też bardziej skomplikowane związki jak kofeina! Dokonał on przy tym pierwszej klasyfikacji – materiały przyciągane przez magnes nazwał magnetycznymi, a odpychane od niego diamagnetycznymi.

Kofeina, arsen, bizmut – na pewno posiadają one jakieś specjalne właściwości, przez które ,,nie lubią” magnesów, prawda?. I tutaj muszę Cię zaskoczyć. Każdy obiekt, każdy choć najmniejszy kawałek materii będzie odpychany przez magnes. Czy to bizmut, kawałek drewna, bryła węgla, czy zwykła woda…

Ale zaraz… Jak to każdy obiekt? Przecież wiele rzeczy jest przez magnes przyciąganych, jak chociażby stalowe śruby czy nawet zwykłe spinacze. Owszem, są one przyciągane, ale to nie znaczy, że nie mogą one być jednocześnie odpychane… Tak, to dość skomplikowane.

Czym jest diamagnetyzm?

Diamagnetyzm jako taki jest dość specyficznym rodzajem magnetyzmu. Przede wszystkim jest on niezwykle słaby. Wiesz skąd w ogóle wiemy, że drewno jest diamagnetykiem i ucieka od magnesu? Bo efekt ten nie jest zasłonięty znacznie silniejszym zjawiskiem przyciągania. Dlatego właśnie Faraday nie odkrył diamagnetyzmu na przykład w żelazie. Efekt słabego odpychania był całkowicie zniwelowany niezwykle potężnym przyciąganiem.

I choć dziś wiemy już znacznie więcej o magnetyzmie niż Brugmans i Faraday, to poniekąd pozostaliśmy wierni ich idei. Stąd też diamagnetykami nazywamy materiały, które nie wykazują przyciągania, dzięki czemu słabe, wewnętrzne odpychanie wychodzi na pierwszy plan. Jakie to będą materiały? Głównie takie, którym poprzez utworzone wiązania udało się skompletować pary elektronowe, jak wspomnianej wcześniej molekule N₂. Więcej przykładów przedstawię w podsumowaniu na końcu tego artykułu.

Została nam w takim razie jeszcze jedna rzecz: Co takiego dzieje się we wnętrzu atomu pod wpływem pola magnetycznego, że stara się on od niego uciec? Częściowo na to pytanie próbuje odpowiedzieć mechanika klasyczna, której założenia przedstawię na przykładzie. Czy wiesz dlaczego wychylanie się w lewo lub w prawo podczas jazdy na rowerze sprawia, że rower skręca? Dzieje się tak, bo rower jadący prosto dosłownie ,,nie lubi” gdy coś próbuje go odchylić. Stąd w trakcie wychylenia pojawia się tajemnicza siła skręcająca przednim kołem tak, by rower powrócił do pozycji pionowej. Jeśli spróbujesz w ten sam sposób wychylić się na stojącym w miejscu rowerze, to przygotuj się na bliskie i niezwykle szybkie spotkanie się z ziemią – siła przeciwdziałająca wychyleniu działa bowiem tylko wtedy, kiedy rower jest w ruchu.

Z diamagnetyzmem jest podobnie. Magnes zbliżony do atomu, w zależności od przyjętej teorii, przyspiesza wirujące elektrony lub odkształca ich orbitę. W obu przypadkach rezultat jest taki sam. Magnes wpływa na poruszające się elektrony i tak jak w przypadku roweru tak i tutaj natura bardzo tego nie lubi. Stąd pojawia się siła przeciwstawiająca się działaniu magnesu i atom zwyczajnie od niego ,,ucieka”.

Proste prawda? Taki jest właśnie urok mechaniki klasycznej. Jak już jednak w poprzednim artykule wspomniałem mechanika klasyczna musiała ustąpić pola mechanice kwantowej i choć porównanie z jazdą na rowerze brzmi sensownie, to nie działa ono w każdym przypadku. Mechanika klasyczna zakładała bowiem, że diamagnetyzm to zjawisko powiązane z ruchem elektronów. A co w sytuacji gdy elektron taki zatrzymamy? W teorii jeśli nie ma ruchu, to nie może istnieć jakikolwiek magnetyzm. W rzeczywistości jednak było inaczej. Okazało się, że po zatrzymaniu elektronu bardzo silnym polem elektrycznym jego magnetyzm nie zaniknął. Odpowiedź na ten problem przyszła oczywiście wraz z mechaniką kwantową – magnetyzm nie zanika, bo nie pochodzi on od ruchu elektronu, a od jego wewnętrznego spinu! Czyli co… diamagnetyzm bierze się stąd, że magnes odkształca spin elektronu i natura tego nie lubi? Czy to w ogóle możliwe?

Trudno powiedzieć. To tak jakby stwierdzić, że można ,,odkształcić” masę lub ładunek elektryczny. Spin to po prostu cecha cząstki stąd do gruntownego zrozumienia idei diamagnetyzmu niezbędne jest przyswojenie sporego kawałka mechaniki kwantowej, której nie jestem ci niestety w stanie teraz przedstawić. Jeśli jednak nie chcesz dać za wygraną i nie brak ci odwagi, to wszystkie odpowiedzi znajdziesz przeglądając świetne wykłady Feynmana na ten temat. Są one dostępne po angielsku pod adresem:

http://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_34.html

Na szczęście znajomość dokładnego źródła diamagnetyzmu nie jest dla nas teraz istotna – kto wie, może za 20 lat i tak będzie ona nieaktualna? Dlatego zapamiętaj po prostu, że diamagnetyzm to zjawisko powszechne, choć niezwykle słabe i polega ono na ucieczce materii od pola magnetycznego. Tyle nam wystarczy, by móc opowiedzieć o drugim rodzaju magnetyzmu, którym jest…

Czym jest paramagnetyzm?

Diamagnetyzm obserwujemy tylko wtedy, gdy nie jest on przesłonięty innym rodzajem magnetyzmu, czyli w związkach o kompletnej liczbie par elektronowych. Czas w takim razie zastanowić się jak zachowują się atomy, którym kompletacja par z różnych powodów się nie udaje. Jako przykład weźmy niezwykle reaktywny i dość niebezpieczny cez (Cs). W jego atomie znajduje się 55 elektronów. Aż 54 z nich utworzyły pary, które z powodu diamagnetyzmu odpychane są od magnesu. Mimo tak ogromnej liczby par wystarcza zaledwie jeden niesparowany elektron, by ten ogromny i ciężki atom cezu był przez magnes mimo wszystko odrobinę przyciągany. Atomy, w których przyciąganie choć w niewielkim stopniu wygrywa z odpychaniem nazywamy paramagnetykami.

Cez jak wspomniałem to bardzo reaktywny pierwiastek i trzeba dość dobrze izolować go od otoczenia, by nie stał się uczestnikiem jakiegoś związku chemicznego. Tak jak już wspomniałem przy azocie, wiele pierwiastków chętnie poddaje się różnym reakcjom, przez co paramagnetyzm zwyczajnie zanika, ale nie oznacza to, że dzieje się tak zawsze.

Różnica między oddziaływaniem paramagnetycznym i diamagnetycznym jest w wielu atomach niewielka i jeśli jedno z nich przeważa, to tylko nieznacznie. Na przykład atom magnezu (Mg) posiada komplet par i jako atom jest diamagnetyczny. Z kolei struktura magnezu jako metalu sprawia, że jest on bardzo słabym, ale jednak paramagnetykiem. Bizmut (B) posiada 3 niesparowane elektrony, więc jest on bezsprzecznie paramagnetycznym pierwiastkiem. Skomplikowana struktura bizmutu powoduje jednak, że jest on najbardziej diamagnetycznym metalem jaki znamy (najsilniej odpychanym przez magnes). Związek między strukturą chemiczną i wynikającymi z niego własnościami fizycznymi opisuje dziedzina nauki zwana krystalochemią. Myślałeś dotąd, że fizyka kwantowa jest skomplikowana? W takim razie nie widziałeś jeszcze wszystkiego.

Nie chciałbym za bardzo wnikać w skomplikowane zagadnienia chemiczne, ale do pełnego zrozumienia paramagnetyzmu brakuje nam jeszcze jednego elementu. Jak już nieraz wspominałem każdy elektron z powodu posiadanego magnetycznego spinu zachowuję jak taki mały magnes. I dopóki elektrony w atomie dobierają się w pary o przeciwnych spinach, to ich momenty magnetyczne całkowicie się znoszą, a atom nie odczuwa przyciągania. Z drugiej strony atom posiadający niesparowane elektrony sam staje się magnesem, w myśl zasady ,,Co jest z małych magnesów zbudowane, samo się magnesem staje”.

Teraz zastanówmy się przez chwilę. Weźmy na przykład łatwo dostępne dla każdego aluminium. Według źródeł książkowych aluminium jako kawałek metalu jest dość słabym, ale jednak paramagnetykiem. Jeśli więc zbliżymy do niego odpowiednio silny magnes, to on taki kawałek aluminium przyciągnie – to jest jasne. Ale skoro aluminium jest paramagnetyczne, czyli posiada niesparowane elektrony, to samo w sobie również powinno być magnesem, prawda? Czy zatem zbliżenie do siebie dwóch kawałków aluminium sprawi, że będą się przyciągać? Czy jesteśmy w stanie kawałkiem aluminium przyciągać stalowe spinacze, albo chociaż lekkie opiłki żelaza? Odpowiedź nie jest taka prosta, bowiem aluminium czasami jest magnesem, a czasami nie.

Aluminium jest paramagnetykiem, ale nie da się z niego zrobić magnesu. Nie dlatego, że jego pole magnetyczne jest zbyt słabe, a dlatego, że paramagnetyzm nie jest czymś trwałym. Pamiętasz jak na początku artykułu pokazywałem, że atom azotu łączy się z drugim azotem by ,,doparować” sobie elektrony? Dzięki silnemu wiązaniu staje się on trwale diamagnetyczny. Tego typu wiązanie w metalach jest niestety niemożliwe i tam sprawy załatwia się inaczej. Aluminium, choć jego atomy są paramagnetyczne, potrafi ten paramagnetyzm ukryć. Metal ten tworzy bowiem strukturę, w której pojedyncze atomy orientują się w sposób losowy. Losowość sprawia, że magnetyzm żadnego z atomów nie przeważą i ich efekty wzajemnie się znoszą. Dzięki temu paramagnetyczne aluminium nie wykazuje cech magnesu.

Po co w takim razie cały ten wykład o paramagnetyzmie, skoro losowy układ atomów i tak go niweluje? Bo tak jak diamagnetyzm pojawia się dopiero w momencie zbliżenia do obiektu magnesu, tak i paramagnetyzm jest zjawiskiem widocznym jedynie w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Magnes umieszczony w pobliżu kawałka aluminium powoduje obrócenie się pól magnetycznych pochodzących od jego atomów. Nie chodzi o to, że całe atomy się ,,przekręcają”, a raczej że tworzące je niesparowane elektrony orientują w odpowiedni sposób swoje orbity. W rezultacie dość zgodnego ułożenia momentów magnetycznych, cały kawałek aluminium staje się na chwilę jednym wielkim magnesem (choć wciąż bardzo słabym).

Jakość tego efektu zależy oczywiście od wewnętrznej budowy materii (dlatego mamy gorsze i lepsze paramagnetyki), ale też od temperatury. Im jest ona wyższa, tym wewnętrzne wibracje materii bardziej zakłócają uporządkowanie się momentów magnetycznych. Oczywiście po odsunięciu magnesu atomy aluminium nie widzą dalszego powodu, by tworzyć jedno wspólne pole magnetyczne i wspomniane wibracje przywracają chaotyczny układ spinów. I choć paramagnetyzm i diamagnetyzm to zjawiska nieco różniące się od siebie to łączy je jedna wspólna cecha – oba uwidaczniają się dopiero pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i nie są stałą, działającą przez cały czas cechą materii.

Co jest diamagnetykiem, a co paramagnetykiem?

Na koniec artykułu chciałbym przedstawić znany Ci pewnie dobrze układ okresowy. Zaznaczyłem na nim, które materiały są w rzeczywistości paramagnetykami, a które diamagnetykami (nie mówię o pojedynczych atomach, a o całych strukturach). Myślę, że będzie on dla Ciebie interesującą ciekawostką:

Magnetyczna natura wielu pierwiastków jest niestety nieznana ze względu na ich zbyt dużą reaktywność lub za krótki czas życia (dlatego pozostawiłem ich biały kolor). Z kolei pierwiastki oznaczone kolorem szarym jako ,,inne” to tak zwane ferromagnetyki i antyferromagnetyki, które są na tyle ciekawym i wyjątkowym tematem, że postanowiłem poświęcić im osobny artykuł. Link poniżej:

Niezwykły ferromagnetyzm – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Dzięki za poświęcony czas!

---

Bibliografia