Внутрикристаллическое поле. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Внутрикристаллическое поле (кристаллическое поле)-неоднородное электрич. (реже магн.) поле, существующее внутри кристаллов и воздействующее на электроны и ядра. Электрич. Внутрикристаллическое поле, действующее на внеш. электроны атома Или иона, имеет зл--статич. (на расстояниях порядка межатомных положит. и отрицат. заряды не компенсируют друг друга) и обменное (см. Обменное взаимодействие)происхождение. Напряжённость внутрикристаллического поля может достигать значений ~10⁸ В/см. Внутрикристаллическое поле имеет симметрию, определяемую симметрией кристалла (для примесных атомов или ионов - точечной симметрией).

Понятие внутрикристаллического поля возникло в связи с теоретич. расчётами электронного спектра примесных парамагн. ионов (см. Парамагнетизм)в диамагн. ионных кристаллах (матрицах) и комплексных соединениях. В этом случае внутрикристаллическое поле наз. также полем лигандов. Под действием внутрикристаллического поля происходит расщепление вырожденных электронных уровней парамагн. атома или иона (см. Штарка эффект ). Внутрикристаллическое поле снимает орбитальное вырождение ,имеющееся в изолир. атоме или ионе, и изменяет структуру электронных уровней. В зависимости от соотношения внутрикристаллического поля и внутриатомных взаимодействий (обменного, спин-орбитального) различают случаи сильного, промежуточного и слабого внутрикристаллического поля. В сильном внутрикристаллическом поле энергия взаимодействия электронов парамагн. иона с внутрикристаллическим полем больше энергии спин-орбитального взаимодействия и обменного взаимодействия. При этом расщепление уровней

велико (

5 эВ), нарушается структура энергетич. уровней изолированного атома или иона, в частности нарушается Хунда правило и реализуется т. н. низкоспиновое состояние иона; этот случай наблюдается, напр., для ионов Fe²⁺ , Co³⁺ , для мн. ионов с недостроенными 4d- и 5d-оболочками. Случай промежуточного внутрикристаллического поля (

1 эВ), когда энергия взаимодействия электронов с полем больше энергии спин-орбитального взаимодействия, но меньше энергии внутриатомного обменного взаимодействия, встречается в большинстве соединений переходных металлов с недостроенной

оболочкой. В соединениях редкоземельных элементов с недостроенной f-оболочкой реализуется случай слабого внутрикристаллического поля (

~10^-2 эВ). При этом мультиплетная структура уровней изолир. иона сохраняется в кристалле.

Эффекты, вызываемые электрич. внутрикристаллическим полем, важны для магнитоупорядоченных веществ, а также для примесных парамагн. ионов (переходных и редкоземельных элементов) в кристалле; они определяют величину магн. момента иона, магнитную анизотропию и магнитострикцию, а также спектроскопич. свойства кристалла. С воздействием электрич. внутрикристаллического поля связаны специфич. фазовые переходы (кооперативный Яна - Теллера эффект, переход из высокоспинового состояния в низкоспиновое и др.).

Внутрикристаллическое поле исследуются с помощью спектроскопич. методов - оптич. спектроскопии, радиоспектроскопии (ЭПР, ЯМР, ЯКР), мёссбауэровской спектроскопии, с помощью рассеяния нейтронов (см. Нейтронография), измерений теплоёмкости, акустического парамагнитного резонанса и акустического ядерного магнитного резонанса. Для оценки величины и определения локальной симметрии внутрикристаллического поля в диамагн. кристалле оптич. методами и методом ЭПР в него часто вводят небольшие кол-ва парамагн. ионов, к-рые служат "атомными зондами". Исследование величины и симметрии внутрикристаллического поля позволяет изучить структуру твёрдых тел и энергию взаимодействия ионов с кристаллич. окружением. Такие диамагн. матрицы с примесью парамагн. ионов являются основой твердотельных лазеров и квантовых усилителей СВЧ.

Внутреннее магн. поле, действующее на орбит. моменты и спины электронов и ядер в кристалле, имеет эл--магн. и обменное происхождение. Эл--магн. вклад (за счёт диполь-дипольного взаимодействия) невелик, и соответствующие поля обычно ~10³-10⁴ Э; они являются дальнодействующими (спадают с расстоянием как 1/r³). Обменные поля значительно сильнее и для электронов достигают 10⁶-10⁷ Э. Магнитные поля на ядрах, обусловленные сверхтонким взаимодействием магн. моментов ядер и электронного окружения, порядка 10⁵-10⁶ Э. Эти поля - короткодействующие. В парамагнетиках из-за хаотич. тепловых переориентации магн. моментов электронов и ядер величина и направление магн. внутрикристаллического поля быстро флуктуируют во времени и его ср. значение мало или равно 0. Значит. величины оно достигает лишь в магнитоупорядоченных средах или в парамагнетиках при низких температурах.

Магн. внутрикристаллическое поле проявляется в расщеплении уровней парамагн. ионов и ядер (см. Зеемана эффект ).Оно непосредственно сказывается в спектрах (оптических, ЯМР, ЭПР, ЯКР, Мёссбауэра, ферро- и антиферромагн. резонансов). Эти методы и используются в основном для исследования магн. внутрикристаллического поля. Его изучение даёт возможность установить наличие и тип магн. упорядочения в магнетиках, локальную симметрию и характер взаимодействия парамагн. примесей с матрицей, характер хим. связей в кристалле (долю ковалентности связей, степень переноса заряда).

Помимо собственных электрич. и магн. внутрикристаллического поля, в конденсированных средах существенно изменяются и внешние электрич. и магн. поля, что, в частности, приводит к эффектам локального поля.

Литература по внутрикристаллическому полю

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.