Termokings.ru

Домашний Мастер
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Никель, свойства атома, химические и физические свойства

Никель

Схема атома никеля

Никель (англ., франц. и нем. Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную руду и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что приблизительно означает «дьявольская руда». Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зеленый окисел и путем восстановления последнего — новый металл, названный никелем. Когда Бергман получил металл в более чистом виде, он установил, что по своим свойствам металл похож на железо; более подробно никель изучали многие химики, начиная с Пруста. Никкел — ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искаженного Nicolaus — родового слова, имевшего несколько значений. Но главным образом слово Nicolaus служило для характеристики двуличных людей; кроме того, оно обозначало «озорной маленький дух», «обманчивый бездельник» и т. д. В русской литературе начала XIX в. употреблялись названия николан (Шерер, 1808), николан (Захаров, 1810), николь и никель (Двигубский, 1824).

Общий взгляд на никель как на металл

В обычной жизни о существовании этого металла могут напоминать мельхиоровые монеты – денежные средства, широко распространённые в социуме. Либо перезаряжаемые батареи мобильных телефонов с коими часто приходится иметь дело.

Однако это всего лишь малая часть всей массы распространённых применений металла, несравнимого по ценности с золотом, серебром и другими химическими элементами.

Никель по ценности, конечно же, уступает золоту и серебру, оценивается не на таком высоком уровне, как, например, высокотехнологичные аэрокосмические металлы — алюминий и титан. Тем не менее, металлу тоже находится применение в той же аэрокосмической сфере и в других областях.

Рассмотрим внимательнее этот химический элемент с целью получения всеобъемлющей информации для потенциального использования.

Никель широко использовался в сплавах (например, мельхиор монетный) на протяжении тысячелетий, однако был признан химическим элементом лишь в 1751 году. Первые упоминания об этом химическом элементе принадлежат шведскому химику — барону Аксель Фредерик Кронштедту.

Примерно такой выглядит внешне менералсодержащая руда — никколит, из которой в своё время разработчики горных пород пытались извлечь медь, но получили совсем другой результат

Именно этот учёный первым получил чистое вещество из руды красноватого оттенка — никколита. Минералсодержащая порода никколит получила своё название благодаря внешнему виду, напоминающему медную руду.

Однако реальной меди такой минерал не содержит. На ранних этапах добычи, пытавшиеся извлечь медь из такой руды шахтёры, называли продукт изысканий «Old Nick». Это название несколько изменённое (niccolite) так и закрепилось в дальнейшем.

Современное представление химических элементов периодической таблицей Менделеева показывает никель среди переходных элементов (металлов) 10 группы. Химический элемент по составу достаточно близок к железу в некоторых отношениях, и очень похож на медь в других отношениях.

В принципе, не удивительно, учитывая, что никель находится в периодической таблице ровно посередине между этими металлами.

Потенциальные области добычи и получения

Среди химических элементов земной коры никель числится вполне обычным компонентом, но значительная доля этого вещества находится за границами земного мира в буквальном смысле. Так, практически все метеориты, когда-либо упавшие на Землю, традиционно содержали никель.

Метеоритный осколок, где обнаружен высокий процент содержания никеля. Как правило, анализ практически всех метеоритных осколков подтверждается положительными результатами теста

Это в достаточной степени распространённый металл среди наиболее распространенных элементов в земной коре, который имеет порядковый номер 22 (примерно в два раза встречается чаще меди) по рейтингу присутствия.

Большая часть никеля добывается из целого ряда минералсодержащих руд:

  • пентландита и пирротина (железо-никелевые сульфиды — две наиболее важные никелевые руды),
  • гарниерита (водный силикат),
  • миллерита (сульфид)
  • никколита (арсенид).

Ведущими производителями никеля выступают страны:

  • Индонезия
  • Филиппины
  • Канада
  • Новая Каледония

Несколько сниженные объёмы добычи демонстрируют Австралия и Россия. Далее идут Соединенные Штаты, несмотря на отсутствие в этой стране активных никелевых рудников.

Относительно небольшое количество никеля производственные сферы США добывают в качестве побочного продукта на медных и палладий-платиновых рудниках. Мировые запасы никеля в целом составляют примерно 130 млн. тонн на суше, и куда большие объёмы на дне океана, если отталкиваться от этой цифры.

Один из рудников Новой Каледонии, где осуществляется активная добыча руды для промышленной сферы. На уровне промышленного производства выполняется переработка в чистый металл или сплавы

Как и некоторые другие металлы, химический элемент допустимо извлекать из руды при помощи:

  • технологии плавки (нагревания внутри доменной печи),
  • электролизом (расщепление руды на составляющие путём пропускания электрического тока через раствор),
  • путём взаимодействия с кислотами (процесс Монда).

Физические и химические свойства никеля

Никель характеризуется типичным металлом: твёрдым при повседневных температурах, достаточно прочным и крепким, податливым (в обработке) и пластичным (вытягивается в провод). Металл легко полируется, демонстрирует хорошие показатели в качестве проводника тепла и электричества, в достаточной степени обладает магнитными свойствами.

По параметрам прочности и ударной вязкости никель схож с железом (правде, менее магнитный). При этом металл в значительной степени более устойчив к влиянию коррозии и окислению (поэтому в этом плане больше схож с медью). Кристаллы никеля имеют гранецентрированную кубическую структуру.

Так выглядит внешне миллерит – минералсодержащая руда, из которой также выполняется добыча популярного химического элемента с последующей переработкой в чистый продукт или сплавы

Среди химических свойств выделяется относительно низкая реактивность. Металл реагирует на воздействие сильных кислот, но остаётся нейтральным в реакции по отношению к щелочам. Именно поэтому никель часто применяют для выравнивания контейнеров под щелочные вещества.

Применение химического элемента под разные нужды

Подавляющее большинство производимого металла используется как составная часть сплавов. Только относительно небольшой объём производства применяется как чистый никель. В мире примерно две трети всего производимого металла используется в процессе производства нержавеющей стали.

Достаточно твёрдая и устойчивая к влиянию коррозии никелевая сталь (содержание никеля около 3%) является важным компонентом производства широкого ассортимента автомобильных деталей (запчастей), включая клапаны и приводные валы различных видов.

Цветные сплавы (где нет содержания железа) также выступают распространённым материалом, где применяется никель. Мельхиор (изготовление монет) – один из примеров сплава, где содержится три четверти меди и одна четверть никеля.

Другие никелевые сплавы включают нитинол с памятью формы, сочетающий никель с титаном (например, оправы очков). Также имеет место широкий спектр высокотехнологичных аэрокосмических «суперсплавов» (работают при очень высоких температурах).

Рабочее колесо турбины с лопастями, обработанными никелевым покрытием с целью дополнительной защиты и усиления эксплуатационных свойств

Турбинные лопасти (используются в конструкциях реактивных двигателей, паровых турбин), как правило, обрабатываются никелевым напылением с целью придания большей прочности и организации защитного покрытия под коррозионную стойкость. Химический элемент также используется:

  • для гальванических металлов,
  • в порошкообразной форме для производства катализаторов (веществ, ускоряющих химические реакции),
  • для изготовления никелевой сетки под печать на текстиле и др.

Важные соединения никеля включают нитраты, хлориды, сульфаты, используемые в гальванике. Оксиды никеля используются в конструкциях батарей питания и топливных элементов. Никель-ферриты широко применяются для изготовления электромагнитных деталей силовых трансформаторов и прочей электроаппаратуры.

  • Главная
  • Продукция
  • Публикации
  • Задать вопрос
  • Контакты
  • Дизайн — центр
  • ИНТЕРНЕТ-МАГАЗИН
  • О нас
  • Наша продукция
    • Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие материалы
      • Сплавы аморфные и нанокристаллические магнитомягкие
      • Ленты аморфные и нанокристаллические АМАГ
    • Тороидальные магнитопроводы
    • Микродроссели
    • Импульсные трансформаторы
    • Модуль гальванической развязки в сетях ETHERNET 100MHz
    • Продукция для сетей ISDN, DSL
    • Технологическое оборудование
    • Установка магнитоизмерительная «В-Н анализатор MS-03»
    • Тигли
    • Механообработка металла
  • Программы для расчёта компонентов
  • Публикации
  • Задать вопрос
  • Контакты
  • Корзина покупок

Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы

Аморфные магнитомягкие сплавы

Аморфные сплавы – новый особый класс прецизионных сплавов, отличающийся от кристаллических сплавов структурой, способом изготовления, областью существования на температурно-временной диаграмме и свойствами.

В 60-х годах эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов, которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решётка в металле вообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бесструктурного, аморфного тела. Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости и характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. Оказалось, что у аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с металлом кристаллическим. Он становится в несколько раз прочнее, повышается его стойкость к коррозии, меняются электромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант — модуль упругости. В отличие от сплавов с кристаллической структурой, технология получения которых имеет серьёзные проблемы, связанные с антагонизмом свойств компонентов на этапе кристаллизации, в аморфных сплавах прекрасно соединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты-антагонисты успевают проявить свой антагонизм. Это открывает широчайшие возможности поиска оптимальных комбинаций компонентов для получения конкретных свойств. Аморфные сплавы получили название металлических стёкол. Интерес к ним стремительно возрастает.

Читать еще:  Правильная пайка латуни в домашних условиях

Прежде всего, исследователей заинтересовали ферромагнитные свойства сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Магнитомягкие свойства металлических стёкол в основном оказались лучше свойств пермаллоев, притом эти свойства более стабильны. Аморфное состояние сплавов достигается подбором химического состава и использованием специальной технологии охлаждения из расплава со скоростью выше критической, определённой для каждого состава. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стёкла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твёрдость влечёт за собой их великолепную износостойкость. Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов — их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стёкла вообще не коррозируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равна нулю. По-видимому, основная причина такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов состоит в том, что, не имея кристаллической решётки, они лишены и характерных «дефектов» кристаллов — дислокаций и, главное, границ между зёрнами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле вблизи этих «дефектов» уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл «вражеские агенты». Важно, что бездефектная структура аморфного сплава придаётся той тонкой окисной плёнке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с «агрессором». Специфичность технологий позволяет изготавливать аморфные сплавы в виде лент толщиной менее 40 мкм.

Для изготовления аморфных сплавов в виде лент обычно используется способ охлаждения, при котором струя жидкого металла с определённой скоростью направляется на поверхность быстро вращающегося цилиндра, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью. Микропровод с аморфной структурой изготавливается путём расплавления токами высокой частоты металла, заключённого в стеклянную трубку с коническим дном, с вытягиванием и охлаждением тонкого капилляра, заполненного металлом. Аморфные сплавы при нагревании переходят в кристаллическое состояние. Для стабильной работы изделий из аморфных сплавов необходимо, чтобы их температура не превышала для каждого сплава максимальной рабочей температуры (Т раб max). В настоящее время наибольшее распространение получили магнитомягкие аморфные сплавы, в которых сочетаются высокие магнитные и механические свойства. Магнитомягкие аморфные сплавы — ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса. Особенностью магнитомягких аморфных сплавов по сравнению с кристаллическими является большое (около 20 %) содержание немагнитных элементов, как бор, кремний, углерод, фосфор и проч., необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость. В радио- и электротехнических изделиях с начала восьмидесятых годов стали широко применяться аморфные материалы, которые используются вместо пермаллоев, ферритов, электротехнических сталей, магнитодиэлектриков.

Нанокристаллические магнитные сплавы

Вторым представителем нового класса метастабильных быстроохлаждённых сплавов и активным соперником аморфных сплавов являются нанокристаллические сплавы. Их особенность – сверхмелкокристаллическая структура. Размер кристаллов (наночастицы) в этих сплавах составляет от 1 до 10 нм. Нанокристаллические и аморфные сплавы – ближайшие родственники. Их «родство» основано на двух обстоятельствах. Во-первых, это структурное сходство. Как известно, структура аморфных сплавов имеет ближний порядок, т. е. состоит из упорядоченных микрогруппировок атомов, размеры которых близки к размерам нанозёрен нанокристаллических сплавов. Во-вторых, это технология получения. В настоящее время наиболее распространённым методом получения наноструктуры является регулируемая кристаллизация из исходного аморфного состояния.

Таким образом, «материнской» основой нанокристаллического сплава является сплав аморфный.

Структура нанокристаллического сплава представляет собой двухфазную систему, одной из фаз которой являются нанокристаллы, а другой – остаточная аморфная матрица. Свойства наносплава зависят от состава, размера и количества нанокристаллов, а также их соотношения с аморфной фазой. Основой экономичного сырья являются кремний и железо. Имея высокую индукцию насыщения (1.2 Т), хорошую температурную стабильность в широком диапазоне температур от -60 до 180ºС, новый нанокристаллический материал имеет отличные характеристики в высокочастотной области на уровне аморфных сплавов на основе кобальта. При этом новый сплав является намного более экономичным.

Точное управление параметрами отжига навитых из ленты тороидов позволяет в широких пределах регулировать требуемые свойства материала (например, форму петли гистерезиса, уровень магнитной проницаемости, коэффициент прямоугольности, удельные потери). Одновременно, хорошее качество по доступной цене становится все более весомым показателем конкурентоспособности нанокристаллического материала в сравнении с ферритами и пермаллоями.

Преимущества

Независимо от варианта применения, при использовании аморфных и нанокристаллических сердечников при проектировании индуктивных компонентов обычно обеспечиваются следующие преимущества:

  • Уменьшенный вес
  • Уменьшенные потери в меди благодаря сокращению числа витков
  • Расширенный температурный диапазон от -60 до 125º С
  • Повышенная стабильность свойств и надёжность
  • Высокая точность для измерительных устройств
  • Повышение КПД устройства

Сравнительные характеристики аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов относительно традиционных:

Аморфный

Нанокристаллический

ПАО «МСТАТОР» выпускает большую номенклатуру лент из аморфных и нанокристаллических сплавов АМАГ шириной от 0,7 до 30 мм и толщиной от 15 до 25 мкм для поставок заказчикам и использования в собственном производстве тороидальных магнитопроводов и законченных электромагнитных компонентов, представленных в разделе Продукция.

Химические свойства

  • Строение, номенклатура, изомерия
  • Способы получения
  • Химические свойства

1. Реакции замещения в бензольном кольце

Первая группа реакций — реакции замещения. Мы говорили, что арены не имеют кратных связей в структуре молекулы, а содержат сопряженную систему из шести электронов, которая очень стабильна и придает дополнительную прочность бензольному кольцу. Поэтому в химических реакциях происходит в первую очередь замещение атомов водорода, а не разрушение бензольного кольца.

С реакциями замещения мы уже сталкивались при разговоре об алканах, но для них эти реакции шли по радикальному механизму, а для аренов характерен ионный механизм реакций замещения.

Первое химическое свойство — галогенирование. Замещение атома водорода на атом галогена — хлора или брома.

Реакция идет при нагревании и обязательно с участием катализатора. В случае с хлором это может быть хлорид алюминия или хлорид железа три. Катализатор поляризует молекулу галогена, в результате чего происходит гетеролитический разрыв связи и получаются ионы.

Положительно заряженный ион хлора и вступает в реакцию с бензолом.

Если реакция происходит с бромом, то катализатором выступает бромид железа три или бромид алюминия.

Важно отметить, что реакция происходит с молекулярным бромом, а не с бромной водой. С бромной водой бензол не реагирует.

У галогенирования гомологов бензола есть свои особенности. В молекуле толуола метильная группа облегчает замещение в кольце, реакционная способность повышается, и реакция идет в более мягких условиях, то есть уже при комнатной температуре.

Важно отметить, что замещение всегда происходит в орто- и пара-положениях, поэтому получается смесь изомеров.

Второе свойство — нитрование бензола, введение нитрогруппы в бензольное кольцо.

Образуется тяжелая желтоватая жидкость с запахом горького миндаля — нитробензол, поэтому реакция может быть качественной на бензол. Для нитрования используется нитрующая смесь концентрированной азотной и серной кислот. Реакция проводится при нагревании.

Напомню, что для нитрования алканов в реакции Коновалова использовалась разбавленная азотная кислота без добавления серной.

При нитровании толуола, также как и при галогенировании, образуется смесь орто- и пара- изомеров.

Третье свойство — алкилирование бензола галогеналканами.

Эта реакция позволяет ввести углеводородный радикал в бензольное кольцо и может считаться способом получения гомологов бензола. В качестве катализатора используется хлорид алюминия, способствующий распаду молекулы галогеналкана на ионы. Также необходимо нагревание.

Четвертое свойство — алкилирование бензола алкенами.

Таким способом можно получить, например, кумол или же этилбензол. Катализатор — хлорид алюминия.

2. Реакции присоединения к бензолу

Вторая группа реакций — реакции присоединения. Мы говорили, что эти реакции не характерны, но они возможны при достаточно жестких условиях с разрушением пи-электронного облака и образованием шести сигма-связей.

Пятое свойство в общем списке — гидрирование, присоединение водорода.

Температура, давление, катализатор никель или платина. Таким же образом способен реагировать толуол.

Шестое свойство — хлорирование. Обратите внимание, что речь идет именно о взаимодействии с хлором, поскольку бром в эту реакцию не вступает.

Реакция протекает при жестком ультрафиолетовом облучении. Образуется гексахлорциклогексан, другое название гексахлоран, твердое вещество.

Важно помнить, что для бензола не возможны реакции присоединения галогеноводородов (гидрогалогенирование) и присоединение воды (гидратация).

3. Замещение в боковой цепи гомологов бензола

Третья группа реакций касается только гомологов бензола — это замещение в боковой цепи.

Читать еще:  Хотите купить торцовочную маятниковую пилу по дереву в Москве?

Седьмое свойство в общем списке — галогенирование по альфа-атому углерода в боковой цепи.

Реакция происходит при нагревании или облучении и всегда только по альфа-углероду. При продолжении галогенирования, второй атом галогена снова встанет в альфа-положение.

4. Окисление гомологов бензола

Четвертая группа реакций — окисление.

Бензольное кольцо слишком прочное, поэтому бензол не окисляется перманганатом калия — не обесцвечивает его раствор. Это очень важно помнить.

Зато гомологи бензола окисляются подкисленным раствором перманганата калия при нагревании. И это восьмое химическое свойство.

Получается бензойная кислота. Наблюдается обесцвечивание раствора. При этом, какой бы длинной не была углеродная цепь заместителя, всегда происходит ее разрыв после первого атома углерода и альфа-атом окисляется до карбоксильной группы с образованием бензойной кислоты. Оставшаяся часть молекулы окисляется до соответствующий кислоты или, если это только один атом углерода, до углекислого газа.

Если гомолог бензола имеет больше одного углеводородного заместителя у ароматического кольца, то окисление происходит по тем же правилам — окисляется углерод, находящийся в альфа-положении.

В данном примере получается двухосновная ароматическая кислота, которая называется фталевая кислота.

Особым образом отмечу окисление кумола, изопропилбензола, кислородом воздуха в присутствии серной кислоты.

Это так называемый кумольный способ получения фенола. Как правило, сталкиваться с этой реакцией приходится в вопросах, касающихся получения фенола. Это промышленный способ.

Девятое свойство — горение, полное окисление кислородом. Бензол и его гомологи сгорают до углекислого газа и воды.

Запишем уравнение горения бензола в общем виде.

По закону сохранения массы атомов слева должно быть столько же, сколько атомов справа. Потому что ведь в химических реакциях атомы никуда не деваются, а просто изменяется порядок связей между ними. Так вот молекул углекислого газа будет столько же, сколько и атомов углерода в молекуле арена, поскольку в состав молекулы входит один атом углерода. То есть n молекул CO2. Молекул воды будет в два раза меньше, чем атомов водорода, то есть (2n-6)/2, а значит n-3.

Атомов кислорода слева и справа одинаковое количество. Справа их 2n из углекислого газа, потому что в каждой молекуле два атома кислорода, плюс n-3 из воды, итого 3n-3. Слева атомов кислорода столько же — 3n-3, а значит молекул в два раза меньше, потому как в состав молекулы входят два атома. То есть (3n-3)/2 молекул кислорода.

Таким образом, мы составили уравнение сгорания гомологов бензола в общем виде.

Получение никеля

Основным материалом для добычи никеля являются именно сульфидные медно-никелевые руды. Так, именно из таких руд получают порядка 80 % никеля от общего производства в мире, без учета России. Руды подвергаются селективному обогащению флотацией, после чего из руды выделяется медный, никелевый, а также пирротиновый концентраты.

Для получения чистого металла используется никелевый рудный концентрат, который наряду с флюсами подвергается плавлению в электрических шахтах или отражательных печах. В результате данного процесса отделяется пустая порода и извлекается никель в виде штейна, в составе которого находится до 15% никеля.

Иногда перед тем, как отправить на плавление концентрат, его подвергают обжигу и окускованию. В составе сульфидного расплава (штейна) после процесса плавки также обнаруживаются Fe, Со и практически полностью Сu, а также благородные металлы. Далее отделяется железо, после чего остается сплав, в составе которого присутствуют медь и никель. Сплав подвергается медленному охлаждению, после чего тонко измельчается и отправляется на дальнейшую флотацию с целью разделения этих двух элементов. Cu и Ni также можно разделить так называемым карбонильным процессом, в основе которого лежит обратимость реакции.

Наиболее распространенными считаются три способа получения никеля:

  1. Восстановительный. За основу берется силикатная руда, из которой с участием угольной пыли образуются железно-никелевые окатыши, содержащие от 5% до 8% никеля. Для этого процесса используются вращающиеся трубчатые печи. После этого окатыши очищаются от серы, прокаливаются и обрабатываются раствором аммиака, из которого и получают после подкисления никель.
  2. Карбонильный. Данный метод еще называют методом Монда. Основан на получении медно-никелевого штейна из сульфидной руды. Над штейном под высоким давлением пропускается СО, в результате чего образуется тетракарбонилникель, из которого под воздействием высоких температур происходит выделение особо чистого никеля.
  3. Алюминотермический. Данный способ основан на восстановлении никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3

Известно, что в природе никель может находиться в виде пяти стабильных изотопов 58 Ni, 60 Ni, 61 Ni, 62 Niи 64 Ni. Их массовые числа равны 58, 60, 61, 62 и 64 соответственно. Ядро атома изотопа никеля 58 Ni содержит двадцать восемь протонов и тридцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы никеля с массовыми числами от 48-ми до 78-ми, а также восемь мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 59 Ni с периодом полураспада равным 76 тысяч лет.

Физика

Люди знают о земном магнетизме уже несколько тысячелетий, но его причина пока так и не выяснена. Теоретические исследования уральских физиков могут ответить на этот вопрос.

Магнитные свойства железа были обнаружены за несколько тысячелетий до н. э. Так, в Китае кусочки магнитных материалов использовались для создания компаса. В 1269 году была написана «Книга о магните» Петра Перегрина, а в 1600 году Уильям Гильберт написал трактат «О магните», описывающий основные свойства магнитов и анализирующий магнетизм Земли. Сегодня железо, включая его магнитные свойства, находит множество самых разных технологических применений. Железо — не единственное магнитное вещество, можно отметить никель и кобальт, заинтересовавшие человечество много позже и также широко использующиеся в настоящее время.

Несмотря на столь долгий срок изучения магнетизма, это явление по-прежнему порождает новые вопросы. В быту мы ощущаем магнетизм как притяжение или отталкивание между телами. В физике же под магнетизмом понимается способность тела сохранять остаточную намагниченность (то есть свое собственное магнитное поле) в отсутствие магнитного поля внешнего. А уже это собственное поле может воздействовать на другие магнитные тела.

Две концепции магнетизма

Общим свойством большинства магнитных веществ является то, что их магнетизм обусловлен атомами так называемых переходных металлов, содержащих d-электроны (индекс d относится к определенному виду симметрии электронных состояний атома). Переходные металлы — это не только железо, кобальт и никель, их несколько десятков.

С появлением понятия спина электрона и соответствующего ему магнитного момента были предложены две различные квантовомеханические картины магнетизма — локализованная и зонная.

Локализованная картина, сформулированная Гейзенбергом, предполагала, что электроны в кристалле не перескакивают с одного атома на соседний, однако между электронами с соседних атомов есть обменное взаимодействие. Это сугубо квантовый эффект, обусловленный разницей энергий параллельного и антипараллельного упорядочения спинов. Зонная картина Стонера, напротив, подразумевала возможность движения электронов, а их взаимодействие в основном осуществлялось в пределах одного атома.

Схема электронной конфигурации атома железа. Концентрические окружности соответствуют разным энергетическим уровням атома. Зеленые точки изображают электроны на орбиталях s (круговых), синие — на p (вытянутых), оранжевые — на d-орбиталях с более сложным распределением в пространстве

На первый взгляд, зонная картина выглядела более применимой к переходным металлам. Но некоторые явления она объяснить не могла, например, закон Кюри—Вейсса, описывающий линейную зависимость обратной восприимчивости от температуры (восприимчивость — это отклик системы на слабое внешнее магнитное поле). В то же время было совершенно не очевидно, почему картина локализованных электронов, которая, как казалось, не может быть применима к переходным металлам (в частности, к железу), гораздо лучше описывает эксперимент.

В конце 1950-х — начале 1960-х годов Нэвилл Мотт, а за ним Джон Гуденаф предположили, что часть электронов в железе (а именно, электроны, соответствующие так называемым eg-состояниям, их два из пяти возможных d-состояний на атоме) характеризуются «непроводящими волновыми функциями», то есть они не перепрыгивают, являются локализованными.

Хотя к тому времени концепция перехода электронов из зонного, проводящего состояния в локализованное уже возникла (благодаря работам Мотта), предположение Мотта—Гуденафа находилось далеко за гранью существовавших тогда теоретических подходов. Оно соответствует введенным много позже так называемым орбитально-зависимым переходам металл—изолятор (orbital-selective Mott transition).

Разработанные позже (в 1980-х годах) методики расчета обменных взаимодействий в металлах на основе зонной теории позволили получить определенные теоретические указания на существование локализованных моментов в железе, но уже в самом методе этих расчетов был заложен, тем не менее, проводящий, зонный характер электронов.

Петр Перегрин (Petrus Peregrinus) — этим латинским псевдонимом подписывал свою труды французский физик XIII века Пьер Пелерен де Марикур (Pierre Pelerin de Maricourt). Точные даты его жизни неизвестны. Перегрин — автор первого экспериментального исследования и первого детального научного труда по магнетизму.

Читать еще:  Магнитный сверлильный станок Энкор Корвет 441 (94410)

Уильям Гильберт (William Gilbert), 1544-1603 — английский физик и придворный врач, исследователь электричества и магнетизма, автор первой теории магнитных явлений.

Первые шаги к объединенной теории

Ситуация изменилась лишь в конце 1990-х — начале 2000-х годов с появлением и развитием так называемой динамической теории среднего поля. Эта теория приближенно сводит сложную проблему движения электронов в кристалле к рассмотрению изменения их состояния со временем на одном выбранном атоме. Теория позволила описать переходы металл—изолятор в ряде веществ, что, естественно, привело к вопросу о ее способности объяснить магнетизм переходных металлов.

Локализованная (вверху) и зонная (внизу) картины ферромагнетизма

В частности, железо и никель были исследованы в рамках этой теории Михаилом Кацнельсоном, Александром Лихтенштейном совместно с американским физиком Габриэлем Котляром в 2001 году.

Ими впервые из полностью микроскопического (то есть исходящего из первопринципных уравнений) расчета в рамках зонной картины было получено линейное поведение обратной восприимчивости с температурой (закон Кюри—Вейсса), которое обычно интерпретируется как указание на присутствие локальных моментов. Также ими была найдена слабая зависимость локальной восприимчивости от времени (на оси мнимого времени, которое проще изучать с теоретической точки зрения), свидетельствующая о наличии локальных моментов. В какой-то момент казалось, что проблема железа и других переходных металлов почти решена.

Сэр Невилл Франсис Мотт (Nevill Francis Mott), 1905-1996 —английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1977 г., совместно с Филипом Андерсоном и Джоном ван Флеком, «за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем», автор теории индуцированных взаимодействием переходов из металлического в изоляторное состояние.

Джон Гуденаф (John Goodenough), род. 1922 — американский ученый, специалист в области физики и материаловедения.

Развитие классических идей новыми методами

Однако появление в середине 2000-х годов концепции орбитально-зависимых переходов металл-изолятор вновь заставляло пересмотреть и дополнить полученные ранее результаты. Здесь я перехожу к моим, совместно с коллегами, исследованиям. Мой интерес к проблеме железа возник в 2007 году в результате обсуждений в недавно созданном в Екатеринбурге Институте квантового материаловедения, но затем вышел за рамки этого института. В частности, для меня представлял интерес вопрос о том, как идеи Мотта и Гуденафа могут быть далее развиты уже с помощью современных методов анализа электронных корреляций.

В связи с этим возникла идея провести рассмотрение железа в рамках динамической теории среднего поля, обратив внимание на вклад различных электронных орбиталей в наблюдаемые свойства. Уже из зонной структуры следовало, что вклады t2g и eg — электронных состояний в железе должны быть различны. (Здесь обозначения t2g и eg вновь относятся к симметрии электронных d-состояний на кубической решетке, на каждом атоме из пяти возможных d-состояний имеется три t2g-состояния и два eg-состояния — на каждую из двух возможных проекций спина электрона. В твердом теле эти состояния образуют, соответственно, t2g- и eg-зоны). Действительно, две электронные зоны — t2g и eg — устроены совершенно по-разному (точнее, у них разная зависимость энергии электрона от импульса). А оставшиеся менее существенные, так называемые нелокальные эффекты могли быть рассмотрены по теории возмущений.

Схема возникновения косвенного обмена РККИ между локальными моментами (длинные стрелки) через электроны проводимости (короткие стрелки). i, j соответствуют двум различным атомам, I — взаимодействие Хунда, тонкие стрелки показывают направление перескока

С рассмотрения этой проблемы началось мое сотрудничество с группой Владимира Анисимова в Институте физики металлов УрО РАН. Как показали проведенные расчеты в методе динамической теории среднего поля, поведение t2g- и eg-электронов совершенно различно. В частности, так называемая собственная энергия электронов, описывающая влияние взаимодействия электронов на их движение, имеет различную зависимость от энергии для t2g- и eg-состояний. Причем зависимость, полученная для eg-состояний, действительно свидетельствовала о возможности их локализации. Кроме того, были вычислены также орбитальные вклады в локальную (то есть соответствующую реакции одного выбранного атома на приложенное к нему внешнее магнитное поле) восприимчивость. Оказалось, что вклад eg-состояний в локальную восприимчивость хорошо описывается законом Кюри (частный случай закона Кюри—Вейсса), что вновь свидетельствовало о сильной локализации этих состояний. В то же время, вклад t2g-состояний проявляет более сложную температурную зависимость, но за счет смешанных t2g-eg-вкладов полная локальная восприимчивость также удовлетворяет закону Кюри. Динамическая локальная восприимчивость, определяемая как отклик уже на зависящее от времени внешнее магнитное поле, демонстрирует характерный для систем с локальными моментами узкий пик.

Строго говоря, в вышеописанном законе Кюри для локальной восприимчивости присутствует также небольшая поправка. Она указывает на существование малой температуры, ниже которой локальные моменты перестают существовать, будучи, как говорят, экранированными подвижными электронами проводимости (это называется эффектом Кондо, по имени открывшего эффект японского физика).

Реальное рассмотрение нелокальных эффектов (в том числе и природы магнитного обмена) в рамках теории возмущений было выполнено значительно позже, в 2015-2017 годах в сотрудничестве с Петром Игошевым, Александром Белозеровым и Владимиром Анисимовым. Для вычисления магнитного обмена можно следовать давней идее, что он обусловлен косвенным обменом через электроны проводимости. Это так называемый механизм РККИ: Рудермана—Киттеля—Касуи—Иосиды (Ruderman—Kittel—Kasuya—Yosida); в Советском Союзе аналогичные идеи развивались Семеном Шубиным и Сергеем Вонсовским. Косвенный обмен — это взаимодействие локальных моментов через посредство подвижных, свободных электронов. Проблема, однако, в том, что четкое разделение между этими состояниями в переходных металлах отсутствует, так как локальные моменты имеют конечное время жизни, и один и тот же электрон может быть локализованным или делокализованным в разные моменты времени. Эту проблему, однако, удается обойти (по крайней мере, для железа) с помощью математических преобразований — переписав восприимчивость электронной системы в виде, где взаимодействие между эффективными магнитными моментами становится явно выделенным. При этом оно как раз имеет форму РККИ. Полученные «квазилокальные» моменты можно затем связать с наблюдаемыми локальными моментами. Указанный подход дает хорошие результаты, сопоставимые с полученными ранее в рамках чисто зонных теорий, в которых, как уже сказано, понятие локального момента отсутствует.

Таким образом, в железе имеются хорошо определенные локальные моменты, появляющиеся в результате обменного взаимодействия. Одновременно были вычислены нелокальные поправки, позволившие добиться хорошего согласия с экспериментальными данными.

Энергетические зоны

В атоме уровни энергии электрона дискретны. В кристаллическом твердом теле же образуются целые диапазоны разрешенных энергий (разрешенные зоны) и запрещенных энергий (запрещенные зоны). Несколько упрощая, можно сказать, что разрешенные зоны формируются из атомных уровней при объединении атомов в кристалл, а оставшееся место занято запрещенными зонами.

Железо, никель и магнетизм Земли

Как показали недавние исследования совместно с группой Дж. Санджованни в Университете Вюрцбурга (Германия), магнитные свойства никеля проявляют черты как сходства, так и отличия от железа. Отличие атома никеля от железа состоит в том, что он имеет восемь, а не шесть d-электронов. Хотя, сходно с железом, локальная восприимчивость никеля подчиняется закону Кюри—Вейсса, в никеле она имеет совершенно иное происхождение, а именно, в значительной мере обусловлена зонной структурой, а не взаимодействием. Кроме того, в никеле локальный момент сравнительно мал и к тому же уже при высоких температурах частично экранирован. Единственная роль взаимодействия состоит в резком уменьшении температуры Кондо, выше которой локальные моменты хорошо определены, с нескольких тысяч до нескольких сотен градусов.

Эти (и некоторые другие, не описанные здесь) интересные особенности никеля получили недавно дальнейшее развитие в сплавах железо-никель под давлением. Под давлением железо оказывается в особой, так называемой эпсилон-фазе, которая кардинально отличается от «обычной» альфа-фазы железа. В частности, эпсилон-железо абсолютно не обладает локальными магнитными моментами. Однако добавление к эпсилон-железу атомов никеля даже в небольшой концентрации качественно изменяет ситуацию.

Особенности электронной структуры никеля и эпсилон-железа таковы, что магнитные свойства их сплава, содержащего даже небольшое количество никеля, оказываются близкими свойствам «обычного» никеля. Указанный факт может иметь важные последствия для объяснения земного геомагнетизма. Внутреннее ядро Земли, как предполагается, как раз содержит железо и никель в концентрации примерно 4:1. Хотя при высоких внутриземных температурах железо жидкое, подвижность атомов железа невелика, и их состояние можно соотнести с одной из кристаллических фаз. При этом немагнитная эпсилон-фаза, по-видимому, наиболее энергетически выгодна. А тогда именно присутствие в ядре Земли никеля может обеспечить появление магнитного поля Земли благодаря так называемому эффекту геодинамо (вращению жидкого ядра), поддерживаемого благодаря результирующей низкой теплопроводности сплава железо-никель. Таким образом, абсолютно теоретические исследования сплавов железо-никель могут прояснить одну из пока не решенных задач — задачу о происхождении магнитного поля Земли.

Андрей Катанин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения РАН, профессор РАН

PDF-версия

  • 34
  • 35
  • 36
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×