Skąd się wziął magnetyzm?

Dlaczego magnetyzm tak długo pozostawał tajemnicą i co ma z tym wspólnego mechanika kwantowa? Opowieść o podstawach magnetyzmu i o tym co sprawia, że magnes jest magnetyczny.

Magnetyzm to nie taka prosta sprawa…

Magnetyzm chroni nas przed kosmicznym promieniowaniem, wytwarza zorze polarne i pomaga zwierzętom (np. ptakom) w nawigacji. Z czasem nauczyliśmy się nim manipulować poprzez produkcję kompasów i magnesów trwałych, a odkrycie związku magnetyzmu z elektrycznością pozwoliło na wynalezienie urządzeń takich jak przekaźniki i silniki elektryczne. Problem polega na tym, że o ile idea magnetyzmu znana jest od tysięcy lat, o tyle dopiero w czasach Einsteina, Schrödingera i Heisenberga zaczęliśmy odkrywać na czym on tak naprawdę polega.

I to nie znaczy, że dziś wiemy już na pewno skąd magnetyzm się bierze… Powiedziałbym raczej, że domyślamy się tego i mamy pewne teorie potwierdzone eksperymentalnie. Dlaczego to takie trudne? Magnes to przecież proste urządzenie. Jedyne co robi, to przyciąga inne magnesy i niektóre metalowe obiekty. Wystarczy zatem rozbić go na małe kawałeczki, dokładnie zbadać i w ten sposób dowiemy się dlaczego działa on tak, a nie inaczej. Prawda?

Elektromagnetyzm

Setki lat temu magnetyzm uznawany był za rodzaj ,,magicznej właściwości materii”, którą iluzjoniści wykorzystywali do robienia czarów, a lekarze do leczenia ludzi. W XVIII i XIX wieku naukowcy pokroju Ørsteda, Ampère’a i Faradaya zauważyli, że prąd w płynący w dwóch przewodach znajdujących się blisko siebie powoduje ich wzajemne przyciąganie. Zupełnie jakby przewody pod wpływem płynącego prądu stawały się magnesami. Czyżby magnetyzm i elektryczność miały ze sobą coś wspólnego?

W 1897 roku o elektryczności wiedzieliśmy naprawdę dużo. Dzięki eksperymentom Faraday’a wiedzieliśmy, że prąd elektryczny w gazach i cieczach tworzą jony, a dzięki pracy fizyka J.J. Thompsona udało się dokładnie zmierzyć i opisać własności elektronu. A co z magnetyzmem? Niestety w całym XIX wieku nie udało się odnaleźć cząstki odpowiedzialnej za siły magnetyczne. Choć oczywiście wspomniane odkrycie magnetyzmu wywołanego przepływem prądu naprowadziło naukowców na pewien trop.

Prąd zamienia metalowy przewód w magnes. Prąd w metalach tworzą elektrony. Wniosek? To właśnie elektrony muszą być w jakiś sposób odpowiedzialne za magnetyzm. A skoro elektryczność i magnetyzm wytwarzane są jednocześnie przez tę samą cząstkę, to może oba te zjawiska są w pewnym sensie jednością? Tak właśnie powstało określenie elektromagnetyzmu, które miało doprowadzić nas do ostatecznego rozwiązania ,,magnetycznej tajemnicy”.

Problem z tą teorią był taki, że o ile elektryczność zawsze wywołuje magnetyzm, o tyle magnetyzm może istnieć bez elektryczności. Przez magnesy trwałe wcale nie musi płynąć prąd, by były magnetyczne, tak samo namagnesowanie kawałka żelaza nie wymaga elektryczności – wystarczy pocierać nim o inny magnes. A może źle tak naprawdę rozumiemy ideę prądu elektrycznego i jakieś ładunki w magnesach przez cały czas płyną? Aby się tego dowiedzieć trzeba było kopać głębiej.

Magnetyczne srebro

Początek XX wieku to okres ogromnego postępu w nauce. Fizycy nauczyli się eksperymentować nie tylko na duży obiektach, ale i na pojedynczych atomach co zupełnie zmieniło nasze postrzeganie rzeczywistości. Powstała teoria atomowa opisująca elektrony jako cząstki orbitujące wokół jądra atomowego. Wtedy też odkryto, że nawet pojedyncze atomy wykazują cechy magnetyczne, z tym że… nie wszystkie. Magnetyzm pojawiał się bowiem tylko w tych atomach, które na powłokach miały nieparzystą liczbę elektronów. Dlaczego?

Zakładano, że elektrony orbitujące w przeciwnych kierunkach niwelują wzajemnie swój magnetyzm. Wystarczyło zatem by na jakiejś powłoce liczba elektronów była nieparzysta, by cały atom stał się odrobinę magnetyczny. I trzeba przyznać, że teoria ta ma sens, bo skoro duży prąd w przewodach potrafi wytworzyć siłę magnetyczną, to taką samą siłę może przecież wytworzyć ,,mikro-prąd” wywołany przez pędzący po orbicie atomu, nieparzysty elektron. Wystarczyło tylko jakoś ten fakt potwierdzić eksperymentalnie, by móc wszem i wobec ogłosić rozwiązanie zagadki magnetyzmu.

Bohaterem przełomowego eksperymentu było srebro – wybrano je nie tylko ze względu na łatwość odseparowania pojedynczych atomów. Srebro bowiem posiada dokładnie 47 elektronów, z czego 46 wypełnia szczelnie wewnętrzne orbity atomu, a ostatni podróżuje sobie samotnie na zupełnie osobnej, zewnętrznej powłoce. To, że srebro jest magnetyczne wiadome było od jakiegoś czasu. Ale jak potwierdzić, że odpowiedzialny za to jest właśnie ten ostatni elektron?

Dwaj panowie, Otto Stern i Walter Gerlach postanowili przeprowadzić w roku 1922 pewien prosty, ale pomysłowy eksperyment. Wystrzeliwali oni wiązkę atomów srebra przez wąską szczelinę znajdującą się między dwoma magnesami, wprost na przygotowany ekran. Wiedzieli oni, że atomy srebra przyciągane przez jeden z biegunów magnesu będą zmieniały trajektorię ruchu. Nie wiedzieli oni jednak jak ta trajektoria będzie wyglądać. Czy atomy rozstrzelą się losowo po całym ekranie? A może wszystkie wpadną w ten sam punkt? Oto jaki wynik uzyskali:

Wystrzeliwane atomy srebra osiadały zawsze w dwóch konkretnych regionach. Bez względu na to czy aparatura była przestawiana, czy obracana, połowa atomów srebra odchylała się w kierunku bieguna północnego magnesu, połowa w kierunku południowego. Był to wynik zaskakująco zgodny z przewidywaniami i pozwolił on udowodnić naukowcom, że magnetyzm srebra nie jest zjawiskiem losowym, a wynika on ze sposobu orbitowania elektronów. Ostatni, niesparowany elektron może bowiem orbitować w dwóch różnych kierunkach, co objawia się przyciąganiem przez dwa różne bieguny magnesu. I tak oto zagadka została rozwiązana, a naukowcy na całym świecie mogli już zacząć otwierać szampana. Niestety nim pierwsze korki poszybowały w górę, a dźwięk tłuczonych kieliszków rozszedł się po laboratoryjnych podziemiach nadeszła zupełnie nowa dziedzina nauki, który kompletnie zburzyła teorię orbitujących elektronów. A nazywa się ona…

Mechanika kwantowa

Wraz z nowymi technikami badawczymi zaczęto coraz bliżej przyglądać się cząstkom subatomowym. Uzmysłowiło to badaczom, że materia nie jest tak prosta jak im się początkowo wydawało. Okazało się na przykład, że elektrony wcale nie są małymi kulkami orbitującymi wokół jąder atomowych. Czym w takim razie są? Nie wiadomo, bowiem im bardziej staraliśmy się im przyjrzeć, tym bardziej tajemnicze się one stawały. Naukowcy nie byli na przykład w stanie jednocześnie zaobserwować pozycji danego elektronu i szybkości z jaką się porusza. Czasami elektron taki zachowywał się jak cząstka, innym razem jak fala. Liczba tego typu problemów rosła, a nowo odkrywanych cząstek było coraz więcej.

Upadek teorii orbitujących elektronów był jednocześnie upadkiem tego, co do tej pory wiedzieliśmy o magnetyzmie. Skoro to nie ruch elektronów jest odpowiedzialny za magnetyzm, to co nim jest? Czy eksperyment ze srebrem jest w takim razie nie ważny? Przecież wynik był zaskakująco dokładny i powtarzalny – to nie mógł być przypadek! Na szczęście wszelkie wątpliwości i problemy miałyby już wkrótce zażegnane, a to za sprawą zupełnie nowej gałęzi fizyki zwanej mechaniką kwantową.

Zgodnie z jej założeniami przestaliśmy udawać, że cokolwiek wiemy na pewno. Zamiast tego zaczęliśmy starać się przewidywać zachowania cząstek z pewnym prawdopodobieństwem i dopiero takie podejście doprowadziło nas do powrotu na właściwe tory. Okazało się bowiem, że panowie Stern i Gerlach w czasie pamiętnego eksperymentu z 1922 roku odkryli coś, czego nie byli w stanie wtedy wyjaśnić, a co później stało się podstawą całej mechaniki kwantowej. Owo odkrycie nosi nazwę spinu.

Spin i magnetyzm

Mechanika klasyczna (ta, według której elektrony to kulki krążące wokół jądra atomowego) zakładała, że każda cząstka materii ma jakąś masę oraz może być ona obdarzona jednym z dwóch rodzajów ładunku elektrycznego: dodatnim lub ujemnym. To niestety nie wystarczyło do opisu pewnych dziwnych zachowań, dlatego Mechanika Kwantowa wprowadziła tych własności więcej i jedną z nich jest właśnie spin. Spin to cecha, którą obdarzonych jest wiele cząstek, w tym elektrony, protony i neutrony. Nadaje ona cząstkom właściwości magnetyczne i z wymienionej trójki najsilniejszym magnesem jest zdecydowanie elektron. Przy czym spin może przyjmować dwie wartości (dodatnią i ujemną), co oznaczana się odpowiednimi strzałkami.

Magnetyzm jaki wytwarza elektron nie jest zatem związany z jego ruchem, tak jak sądzili panowie Stern i Gerlach. Spin, będący źródłem magnetyzmu to wewnętrzna właściwość elektronu, która nie znika po zatrzymaniu się cząstki. A skoro elektron sam w sobie jest małym magnesem, to wypełniony takimi elektronami atom również powinien być magnetyczny, prawda? Owszem, ale musimy w tym miejscu rozróżnić dwie sytuacje, a to z powodu tzw. Zakazu Pauliego (zwanego też Prawem Pauliego).

Niejaki Wolfgang Pauli w 1925 roku odkrył, że elektrony znajdujące się na orbitach atomowych nie lubią być samotne. Z tego względu bardzo chętnie dobierają się w pary, przy czym utworzona para może składać się tylko z dwóch przeciwnych spinów (taki sam spin w jednej parze jest niemożliwy). I tutaj dochodzimy do prawdziwego powodu reakcji srebra na magnes. Na jego orbitach znajduje się 47 elektronów. Zgodnie z Prawem Pauliego 46 z nich naturalnie dobiera się w pary, a ostatni, czterdziesty siódmy pozostaje samotny. Graficznie wygląda to w ten sposób:

Ilość niesparowanych elektronów świadczy o poziomie ,,namagnetyzowania” jaki atom posiada. Srebro, jako atom o jednym niesparowanym elektronie niezwykle słabo reaguje na wszelkie pole magnetyczne (Stern i Gerlach musieli użyć potężnych magnesów). Na szczęście są też inne, znacznie silniejsze magnetycznie atomy o trzech, czterech, a nawet pięciu niesparowanych elektronach! Które to? Najłatwiej odczytać to z poniższego układu okresowego:

Co czyni magnes magnesem?

Patrząc na powyższy układ moglibyśmy podejrzewać, że najsilniejsze znane nam magnesy wytwarza się np. z manganu (Mn), technetu (Tc) czy renu (R). Problem polega na tym, że o ile mangan to bardzo ,,magnetyczny” atom, o tyle jest on mało ,,magnetycznym” kawałkiem metalu. Podobnie jest z chromem (Cr) czy chociażby węglem (C), które to posiadają odpowiednio cztery i dwa niesparowane elektrony, a w rzeczywistości jako kawałki materiału są kompletnie obojętne magnetycznie.

Najbardziej magnetycznymi materiałami jakie znamy są żelazo, kobalt, nikiel i gadolin – 99% wytwarzanych na świecie magnesów zawiera co najmniej jeden z tych pierwiastków. Nawet naturalnie magnetyczne minerały odkryte w starożytności przez greków (magnetyt i pirotyn) to nic innego jak związki żelaza.

Posiadanie określonej liczby niesparowanych elektronów to najistotniejszy czynnik pozwalający przekształcić metal w magnes, jednak sam w sobie nie gwarantuje nam sukcesu. Produkcja magnesów polega na poddawaniu minerałów działaniu silnego pola magnetycznego i wysokiej temperatury. Z tego względu bardzo istotna jest sama budowa krystaliczna związku, z którego chcemy zrobić magnes. Czy materiał jest podatny na namagnesowanie? Czy namagnesowanie jest trwałe, czy może zanika po pewnym czasie? Kwestia niesparowanych elektronów to jedynie połowa właściwej odpowiedzi. Aby poznać jej dalszy ciąg już teraz zapraszam do zapoznania się z artykułem numer dwa:

Czym jest diamagnetyzm i paramagnetyzm? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Do usłyszenia!

---

Bibliografia