Weird Science

Diamagnetyzm bizmutu

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w mie­sięcz­niku Młody Tech­nik (8/2014):

Ilustracja

Ples M., Dia­ma­gne­tyzm bizmutu, Młody Tech­nik, 8 (2014), Wydaw­nic­two AVT, str. 74-75.

Zja­wi­sko magne­ty­zmu nie jest w zasa­dzie jed­no­rodne; w rze­czy­wi­sto­ści nazwą tą okre­śla się cały zespół zja­wisk fizycz­nych związa­nych z polem magne­tycz­nym, które może być wytwa­rzane zarówno przez prąd elek­tryczny, jak i przez mate­riały magne­tyczne.

Zja­wi­ska magne­tyczne mogą przy­bie­rać różne formy; główne to fer­ro­ma­gne­tyzm, para­ma­gne­tyzm i dia­ma­gne­tyzm. Naj­czę­ściej zau­wa­żamy w życiu codzien­nym fer­ro­ma­gne­tyzm, ponie­waż jego efekt jest naj­wy­raźn­iej­szy. Ciała fer­ro­ma­gne­tyczne, jak choćby żelazo, kobalt, nikiel i inne, są sil­nie przy­ciągane przez magnes trwały. Para­ma­gne­tyki także są przy­ciągane, ale dużo sła­biej. Przy­kła­dem może być cie­kły tlen, pla­tyna, sód, a także sze­ścio­wodny chlo­rek kobaltu(II).

Dziś będziemy jed­nak oma­wiać dia­ma­gne­tyzm. Dia­ma­gne­tyki mają pewną cechę bar­dzo odróżn­ia­jącą je od innych mate­ria­łów magne­tycz­nych: są odpy­chane przez magnes i to nie­za­leżnie od pola­ry­za­cji pola magne­tycz­nego!

Oddzia­ły­wa­nie dia­ma­gne­tyczne sto­sun­kowo łatwo zaob­ser­wo­wać w przy­padku bizmutu.

Doświad­cze­nie

By prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie potrze­bu­jemy bizmutu. Ten metal to naj­cięższy nie­ra­dio­ak­tywny pier­wia­stek. W rze­czy­wi­sto­ści żaden izo­top bizmutu nie jest trwały, lecz okresy półtr­wa­nia więk­szo­ści z nich są tak dłu­gie, że praw­do­po­do­bieńs­two roz­padu pro­mie­nio­twór­czego jest naprawdę zni­kome. Przy­kła­dowo: okres półtr­wa­nia 209Bi wynosi 1,9*1019 lat, czyli przy­najm­niej miliard razy dłu­żej niż sza­co­wany wiek całego wszech­świata - tyle zająłby roz­pad połowy ato­mów bizmutu w próbce. Bizmut wyróżnia się też barwą: ma piękny meta­liczny połysk z różo­wym odcie­niem (Ryc.1). Do doświad­cze­nia wystar­czy nie­wielki, półc­en­ty­me­trowy odła­mek bizmutu:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.1

Zaska­ku­jące jest, że cho­ciaż bizmut należy do metali ciężk­ich, to jest on całk­o­wi­cie niesz­ko­dliwy i nie­tok­syczny. Można go też sto­sun­kowo łatwo zdo­być, ponie­waż z racji two­rze­nia efek­tow­nych krysz­ta­łów jest dosyć częstym towa­rem kolek­cjo­ner­skim. Jest to bar­dzo sprzy­ja­jąca oko­licz­ność dla eks­pe­ry­men­ta­tora-ama­tora.

Dia­ma­gne­tyzm powo­duje pow­sta­nie tak małych sił, że aby go dobrze zaob­ser­wo­wać naj­le­piej posłu­żyć się lekko zmo­dy­fi­ko­waną według mojego pomy­słu wagą skręceń (Ryc.2). Jest to bar­dzo pro­sty przy­rząd, a jego budowę można pole­cić każd­emu eks­pe­ry­men­ta­to­rowi.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.2

Budowa wagi, jak widać, jest bar­dzo pro­sta. Jest to lekka beleczka (tutaj wyko­nana ze słomki do napo­jów) pod­wie­szona pośrodku na nici. Na jed­nym końcu jest umo­co­wany nie­wielki odła­mek bizmutu; dla zrów­no­wa­że­nia na dru­gim ramie­niu wagi została umiesz­czona prze­suwna prze­ciw­waga mająca formę kil­ku­dzie­sięciu zwo­jów drutu mie­dzia­nego w izo­la­cji. W poło­że­niu spo­czyn­ko­wym jedno z ramion wagi opiera się o ele­ment opo­rowy, którym jest zwy­kła igła wbita w pod­stawę. Punkt pod­wie­sze­nia nici powi­nien dawać możl­i­wość lek­kiego jej skręca­nia, tak by w momen­cie, gdy na ramię nie działa siła, opie­rało się ono deli­kat­nie o igłę. Wtedy najm­niej­sza nawet siła spo­wo­duje odchy­le­nie wagi z poło­że­nia rów­no­wagi.

Henry Caven­dish żył w latach 1731 -1810 i był bry­tyj­skim che­mi­kiem oraz fizy­kiem, człon­kiem eli­tar­nego Towa­rzy­stwa Królew­skiego. Wywo­dził się z ary­sto­kra­cji, dzięki czemu mógł stu­dio­wać na Uni­wer­sy­te­cie Cam­bridge. Stu­diów jed­nak nie ukończył. Odzie­dzi­czył znaczną for­tunę, co umożl­i­wiło mu zało­że­nie wła­snego labo­ra­to­rium i pro­wa­dze­nie badań. Był uwa­żany za samot­nika i lek­kiego dzi­waka. Obok badań z dzie­dziny che­mii i elek­trycz­no­ści udo­sko­na­lił także wagę skręceń Michella, którą wyko­rzy­stu­jemy w tym doświad­cze­niu.

Potrze­bu­jemy także magnesu; naj­lep­szy będzie nie­wielki magne­sik neo­dy­mowy (Ryc.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.3

Począt­kowo na wagę nie dzia­łają dodat­kowe siły, a jej ramię znaj­duje się w poło­że­niu rów­no­wagi (Ryc.4A, zazna­czono strzałką). Po zbli­że­niu magnesu do bizmutu rów­no­waga zostaje zabu­rzona i waga odchyla się z tego poło­że­nia (Ryc.4B)!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.4

Wyja­śnie­nie

W mate­ria­łach dia­ma­gne­tycz­nych, takich jak bizmut, wszyst­kie elek­trony w ato­mie są spa­ro­wane, wobec czego atom nie wyka­zuje zew­nętrz­nego momentu magne­tycz­nego. Wypad­kowy moment magne­tyczny dla ciała zbu­do­wa­nego z takich ato­mów jest więc także zerowy. Dia­ma­gne­tyki nie­znacz­nie osła­biają zew­nętrzne pole magne­tyczne - ich prze­ni­kal­ność magne­tyczna μ jest mniej­sza od jed­no­ści.

By zro­zu­mieć mecha­nizm dia­ma­gne­ty­zmu musimy sobie przy­pom­nieć budowę atomu. W uprosz­cze­niu: wokół dodat­niego jądra krążą ujem­nie nała­do­wane elek­trony. Kiedy nie dzia­łają na nie żadne dodat­kowe siły to ruch orbi­talny elek­tro­nów jest nie­za­bu­rzony.

Sprawa jed­nak się zmie­nia, kiedy atom znaj­dzie się w zew­nętrz­nym polu magne­tycz­nym. Na elek­trony w ruchu wokół jądra zaczyna dodat­kowo oddzia­ły­wać siła Lorentza, dzia­ła­jąca zaw­sze na poru­sza­jące się w polu magne­tycz­nym cząstki obda­rzone ładun­kiem elek­trycz­nym. Siła ta defor­muje orbity elek­tro­nów, co jest powo­dem pow­sta­nia ele­men­tar­nego momentu magne­tycz­nego każd­ego atomu. Momenty ato­mów sumują się, dając wypad­kowy moment magne­tyczny dla całego ciała. W ten spo­sób pow­staje pole magne­tyczne odpy­cha­jące w sto­sunku do pola wywo­łu­jącego cały efekt. Dla­tego dia­ma­gne­tyki są zaw­sze wypy­chane z pola magne­tycz­nego.

Nad­prze­wod­niki bywają uzna­wane za ide­alne dia­ma­gne­tyki, ponie­waż wypy­chają one z sie­bie całe zew­nętrzne pole magne­tyczne, co jest nazy­wane efek­tem Meis­snera.

Należy zazna­czyć, że dia­ma­gne­tyk nie umiesz­czony w zew­nętrz­nym polu magne­tycz­nym nie wyka­zuje żad­nych wła­ści­wo­ści magne­tycz­nych.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Uzu­pełn­ie­nie autora

Opi­sane doświad­cze­nie można zoba­czyć także na fil­mie:

Marek Ples

Aa