СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Электрофизика МАГНИТНЫЕ ТАЙНЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

МАГНИТНЫЕ ТАЙНЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

© Кирей Пётр Серафимович

Контакт с автором: kpskps@km.ru

 

Можно с полным основанием сказать, что физика магнитных явлений сулит нам в будущем много новых и неожиданных открытий.

Академик С.В. Вонсовский

Магнетизм – яркий природный феномен, всеобщность и универсальность которого на протяжении вот уже трех тысячелетий поражает воображение человека.

Магнитные явления охватывают:

С развитием науки открываются все новые и новые черты магнитной картины мира. XX век также ознаменовался многими выдающимися открытиями в области магнетизма, которые затем нашли широкое практическое применение в технике и промышленности. К ним можно отнести:

и многое-многое другое…

Вместе с тем вплоть до настоящего времени магнитная картина мира изобилует многими “белыми пятнами”, остаются нерешёнными многие проблемы магнетизма, существующие теории не в состоянии адекватно описать магнитное разнообразие природы. Наглядным подтверждением этого являются слова, вынесенные в эпиграф, которые принадлежат одному из крупнейших специалистов в области физики магнитных явлений академику С.В. Вонсовскому - человеку, который знал всё о магнетизме и на учебниках которого выросли целые поколения физиков-магнитологов.

Трудности начинаются уже при рассмотрении магнитных свойств простых веществ.

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева (в дальнейшем – ПСЭ) устанавливает периодическую зависимость химических и физических свойств атомов и образуемых ими простых и сложных веществ от зарядов их ядер. Периодические зависимости характерны для многих физико-химических свойств простых веществ и достаточно хорошо изучены. Однако в отношении магнитных свойств макроскопических веществ дела обстояли не столь благополучно – периодичности нет! Это было тем более удивительно потому, что магнитные свойства атомов полностью определяются строением их электронных оболочек, то есть теми же факторами, которые приводят к периодическому изменению других физико-химических свойств как атомов, так и простых веществ (вертикальная, горизонтальная и диагональная периодичности).

По знаку молярной магнитной восприимчивости χm (при комнатной температуре) известные на сегодняшний день простые вещества можно классифицировать следующим образом:

    1. Парамагнетики (χm > 0, включая ферро- и антиферромагнетики) – 51 элемент;
    2. Диамагнетики (χm < 0) – 31 элемент;
    3. Магнитоамфотерные элементы (элементы, у которых разные аллотропные и полиморфные модификации имеют разные знаки χm при обычных атмосферных условиях) – 3 элемента (углерод, кислород, олово).
    4. Магнито-неидентифицированные элементы (элементы, у которых величина и знак χm неизвестны вследствие их высокой химической или радиационной активности, очень малой величины периода полураспада или синтезированных в очень малых количествах) - 25 элементов.

К магнито-неидентифицированным элементам относятся фтор, четыре элемента 6-го периода (прометий, полоний, астат и радон) и 20 элементов 7-го периода (известна величина χm лишь для 4-х элементов-актиноидов: тория, урана, плутония и америция). При этом, исходя из общих физических представлений, фтор, полоний, астат и радон следует отнести к диамагнетикам, а прометий – к парамагнетикам. Для фтора такой вывод косвенно подтверждается измерениями магнитных моментов ионов фтора в соединениях.

Если теперь в таблице Д.И. Менделеева, а точнее, в её длиннопериодном варианте, официально принятом Международным союзом химиков, клеточки с диамагнитными элементами раскрасить одним цветом, а клеточки с парамагнитными элементами – другим, то при первом же беглом взгляде на этот своеобразный “магнитный” вариант Периодической системы сразу видно, что ПСЭ чётко разделяется на две компактные области: диамагнитную и парамагнитную, с незначительным “вкраплением” магнитоамфотерных элементов. Граница раздела проходит по линии элементов с номерами 3 – 13 – 28 – 46 – 78.

Исходя из вида распределения диамагнитных и парамагнитных элементов в ПСЭ, можно сделать следующие обобщения:

    1. За исключением 1-го периода каждый период начинается с парамагнитного элемента и заканчивается диамагнитным (впрочем, и в 1-ом периоде водород в атомарном состоянии представляет собой классический пример парамагнитного вещества).
    2. В коротких периодах (периоды 1 - 3) преобладают диамагнитные элементы, а в длинных (периоды 4 - 6) – парамагнитные.
    3. В длинных периодах содержится одинаковое количество диамагнитных элементов (Nd = 8) в конце каждого периода, а количество парамагнитных элементов в начале каждого периода составляет Np = N - Nd, где N – общее число элементов в периоде.
    4. В 1-ом периоде оба s-элемента являются диамагнитными; во 2-ом периоде содержатся один парамагнитный и один диамагнитный s-элементы; в каждом из остальных периодов оба s-элемента являются парамагнитными.
    5. Все р-элементы являются диамагнитными, за исключением алюминия и магнитоамфотерных элементов.
    6. В длинных периодах содержится одинаковое количество парамагнитных d-элементов – по 8 в начале каждого ряда d-элементов, и одинаковое количество диамагнитных d-элементов – по 2 в конце каждого ряда d-элементов.
    7. Все f-элементы являются парамагнитными.
    8. Все элементы 1 – 10 групп являются парамагнитными, за исключением бериллия.
    9. Все элементы 11 – 18 групп являются диамагнитными, за исключением алюминия и магнитоамфотерных элементов.

Количественный анализ изменения величины χm в Периодической системе затрудняется двумя существенными обстоятельствами:

- проблемой однозначности сопоставления величины χm с каждым из элементов, так как количество аллотропных и полиморфных модификаций простых веществ в несколько раз превышает количество элементов;

- проблемой достоверности известных значений величины χm, так как данные о величине χm, приведенные в разных источниках [1 - 5], противоречат друг другу, и, в некоторых случаях, отличаются на порядки.

По поводу первой проблемы необходимо отметить, что при обычных условиях подавляющее большинство элементов всё же имеют лишь одну стабильную модификацию. Исключение составляют элементы 14 – 16 групп, для которых характерно наличие нескольких устойчивых модификаций, но и у большинства из этих элементов величины χm для разных модификаций близки друг к другу. Поэтому неоднозначность сопоставления величины χm с каждым из элементов несколько усложняет общие закономерности, но не может существенно на них повлиять.

Вторая проблема решается традиционными математическими методами. Для получения достоверных значений величины χm проводилось её усреднение по значениям, приведенным в разных источниках, при этом отбрасывались те значения, которые в несколько раз отличались от аналогичных величин из других источников.

Полученные результаты приводят к однозначному выводу [6, 7]: в целом наблюдается периодичность изменения величины χm по периодам Периодической системы элементов!

При этом магнитные свойства лантаноидов и актиноидов имеют свои индивидуальные черты и не подчиняются периодической зависимости. Магнитоупорядоченные вещества (хром, марганец, железо, кобальт, никель) также выпадают из общих закономерностей.

В настоящее время лантаноиды, как правило, делят на 2 группы - “лёгкие” (цериевые) и “тяжёлые” (иттриевые), однако по величине χm лантаноиды логичнее классифицировать на три группы:

По величине молярной магнитной восприимчивости (также как и по другим физико-химическим свойствам) к “сверхслабым” лантаноидам очень близки скандий, иттрий и лантан – элементы, которые обычно причисляются к редкоземельным металлам.

Интересно отметить, что деление лантаноидов на группы, полностью совпадающее с вышеприведенным, предлагалось и ранее, однако при этом критерием классификации являлась совокупность совершенно других физико-химических свойств. Таким образом, и в этом случае “чувствуется” одинаковая природа факторов, влияющих на совершенно разные свойства простых веществ.

Через диамагнитную область ПСЭ проходит диагональ “бор-астат”, которая разделяет металлы и неметаллы, и линия, разделяющая газообразные и конденсированные простые вещества. Естественно предположить, что эти линии каким-либо образом влияют на изменение величины χm, однако в действительности такого влияния не наблюдается.

Интересны и некоторые количественные соотношения между величиной χm для элементов из разных групп. Например, начиная с 3-го периода, разница между значением χm для элемента 16-ой группы и элемента 18-ой группы из того же периода для всех периодов одинакова и составляет примерно (4±0,4)·10-6 см3/моль.

Ещё более поразительным является тот факт, что группы 17 (водород+галогены) и 18 (инертные газы), которые в химическом отношении являются группами-антиподами, с точки зрения магнитных свойств являются группами-двойниками, так как значения величины атомной магнитной восприимчивости χа (это величина молярной магнитной восприимчивости с коэффициентом, учитывающим количество атомов в молекуле простого вещества) для элементов каждой из групп попарно совпадают с точностью от 6 % для пары “водород-гелий” и до 1,25 % – для пары “йод-ксенон”.

Анализ характера изменения величины χm в зависимости от атомного номера Z в пределах группы показал, что для разных групп эта зависимость может быть разной:

- монотонное убывание, близкое к линейному (группы 3 - 5, 11, 12, 16 - 18);

- сложная функциональная зависимость (группы 1, 2, 13 - 15, лантаноиды);

- монотонное возрастание, близкое к линейному (актиноиды);

- убывание, характер которого нельзя однозначно определить ввиду того, что в данных группах вследствие исключения из рассмотрения магнитоупорядоченных веществ остаётся только по 2 элемента, для которых известна величина χm (группы 6 - 10).

Сделав простейшее допущение о линейности функции χm = f(Z) для групп 6 – 10 и учитывая линейный характер функции χm = f(Z) для групп 3 - 5, 11, 12, 16 - 18 и актиноидов, можно экстраполировать данные зависимости в трансвисмутовую область, а также интерполировать в случае фтора, протактиния и нептуния [8].

В таблице представлены результаты линейной аппроксимации зависимости χm от атомного номера Z по группам Периодической системы.

В 1-й колонке указан номер группы для длиннопериодной Периодической системы; во 2-й – количество известных значений χm (точек) в пределах данной группы; в 3-й и 4-й – коэффициенты аппроксимирующей зависимости χm = К1Z + К2; в 5-й – величина достоверности аппроксимации; в 6-й – название элемента данной группы, для которого значение χm определяется методом экстраполяции или интерполяции; в 7-й – атомный номер элемента, указанного в 6-й колонке; в 8-й - величина χm для элемента, указанного в 6-й колонке.

 

Таблица. Результаты линейной аппроксимации зависимости χm от атомного номера Z по группам Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Номер

Группы

Кол-во

точек

K1 × 106,

см3/моль

K2 × 106,

см3/моль

R2

Название элемента

Z

χm × 106,

см3/моль

1

2

3

4

5

6

7

8

3

3

-5,6425

425,95

0,9846

Актиний

89

-76,2

Элемент-121

121

-256,8*

4

3

-1,6585

190,95

0,997

Резерфордий

104

18,5

Элемент-154

154

-64,5

5

3

-2,1152

304,96

0,9846

Дубний

105

82,9

Элемент-155

155

-22,9

6

2

0,8959

121,91

1

Сиборгий

106

26,9

Элемент-156

156

-17,9

7

2

-6,1075

524,75

1

Борий

107

-128,8

Элемент-157

157

-434,1**

8

2

-0,9619

82,84

1

Хассий

108

-21,0

Элемент-158

158

-69,1

9

2

-2,4378

215,83

1

Мейтнерий

109

-49,9

Элемент-159

159

-171,8

10

2

-11,773

1111,6

1

Дармштадтий

110

-183,4

Элемент-160

160

-772,1**

11

3

-0,4404

4,4118

0,8873

Рентгений

111

-44,5

Элемент-161

161

-66,5

12

3

-0,454

2,683

0,9973

Элемент-112

112

-48,2

Элемент-162

162

-70,9

 

16

 

3

 

-0,6886

 

-3,8306

 

0,9902

 

Полоний

84

-61,7

Элемент-116

116

-83,7

Элемент-166

166

-118,1

17

4

-1,57

-6,9865

0,9824

Фтор

9

-21,1

Астат

85

-140,4

Элемент-117

117

-190,7

Элемент-167

167

-269,2*

18

5

-0,7866

-1,0718

0,982

Радон

86

-68,7

Элемент-118

118

-93,9

Элемент-168

168

-133,2

Акти-

ноиды

4

155,14

13849

0,9309

Протактиний

91

268,7

Нептуний

93

579,0

* - значение | χm| для данного элемента близко к значению | χm| для висмута.

** - значение | χm| для данного элемента превышает значение | χm| для висмута.

Так как для элементов 6 – 10 групп аппроксимирующие зависимости были построены всего по двум точкам (без учёта магнитоупорядоченных веществ), то полученные для них результаты можно рассматривать только как гипотетические. Среди этих элементов имеются два элемента (с атомными номерами 157 и 160), у которых значение | χm| значительно превышает значение | χm| для висмута, которое в настоящее время является рекордным для диамагнитных простых веществ. Ещё у двух элементов (с атомными номерами 121 и 167) значения | χm| близки к значению | χm| для висмута.

Анализ полученных результатов показывает, что в 7-м и 8-м периодах нарушается закономерность, наблюдаемая в 4 – 6 периодах, согласно которой элементы 3 – 10 групп являются парамагнетиками. В 7-м периоде актиний, борий, хассий, мейтнерий и дармштадтий должны обладать диамагнитными свойствами, а в 8-м периоде все элементы 3 – 10 групп должны быть диамагнетиками.

Литература:

  1. Вонсовский С.В. Магнетизм. – М.: Наука, 1971.
  2. Таблицы физических величин: Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976.
  3. Эмсли Дж. Элементы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993.
  4. Боровик Е.С., Мильнер А.С. Лекции по магнетизму. – Харьков, изд-во ХГУ, 1966.
  5. Савицкий Е.М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. – М.: Наука, 1975.
  6. Кирей П.С. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и магнитные свойства простых веществ // 9-й Международный симпозиум “Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы”: Сборник докладов. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – С. 61 – 67.
  7. Кирей П.С. Изучение магнитных свойств простых веществ в техническом ВУЗе // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях (СЛАВПРОМ): Материалы 3-й международной Промышленной конференции. – Киев, 2003. – С. 129 - 131.
  8. Кирей П.С. О прогнозировании магнитных свойств трансвисмутовых простых веществ // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях (СЛАВПРОМ): Материалы 4-й международной Промышленной конференции. – Киев, 2004. – С. 150 - 151.
Дата публикации: 16 января 2006
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.