Diamagnetyzm bizmutu
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w miesięczniku Młody Technik (8/2014):
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.
Magnetyzm przybiera różne formy - główne to ferromagnetyzm, paramagnetyzm i diamagnetyzm. Zajmiemy się dziś tym ostatnim.
W życiu codziennym najczęściej zauważamy 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).
Diamagnetyki z kolei są odpychane przez magnes i to niezależnie od polaryzacji pola magnetycznego! Oddziaływanie diamagnetyczne stosunkowo łatwo zaobserwować w przypadku bizmutu.
Doświadczenie: bizmut na wadze
Bizmut to metal i najcięższy nieradioaktywny pierwiastek. W rzeczywistości żaden izotop bizmutu nie jest trwały, lecz okresy półtrwania większości z nich są tak wielkie, że prawdopodobieństwo zajścia 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 (1).
Do doświadczenia wystarczy niewielki, półcentymetrowy odłamek bizmutu:
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 wagą skręceń (zwaną także wagą Cavendisha), lekko zmodyfikowaną według mojego pomysłu (2). Jest to bardzo prosty przyrząd, a jego budowę można polecić każdemu eksperymentatorowi.
Budowa wagi, jak widać, jest bardzo prosta. Przyrząd tworzy lekka beleczka (tutaj wykonana ze słomki do napojów), podwieszona pośrodku na nici. Na jednym końcu umocowano niewielki odłamek bizmutu, a dla zrównoważenia na drugim ramieniu wagi została umieszczona przesuwna przeciwwaga mająca formę kilkudziesięciu zwojów izolowanego drutu miedzianego. 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 lekko o igłę. Wtedy najmniejsza nawet siła spowoduje odchylenie wagi z położenia równowagi.
Henry Cavendish żył w latach 1731-1810. Był brytyjskim chemikiem oraz fizykiem, członkiem elitarnego Towarzystwa Królewskiego. Wywodził się z arystokracji, dzięki czemu mógł studiować na Uniwersytecie Cambridge. Studiów jednak nie ukończył, ale ponieważ odziedziczył znaczną fortunę, mógł założyć własne laboratorium i prowadzić badania. Był uważany za samotnika i lekkiego dziwaka. Obok prowadzenia doświadczeń z dziedziny chemii i elektryczności udoskonalił także wagę skręceń Michella, nazywaną często później wagą Cavendisha.
Potrzebujemy także magnesu; najlepszy będzie niewielki magnesik neodymowy (3).
Początkowo na wagę nie działają dodatkowe siły, a jej ramię znajduje się w położeniu równowagi (4A, zaznaczono strzałką). Po zbliżeniu magnesu do bizmutu równowaga zostaje zaburzona i waga się odchyla (4B)!
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, 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.
Dodajmy na koniec, że diamagnetyk nie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym nie wykazuje żadnych właściwości magnetycznych.
Literatura dodatkowa:
- Jackson R., Tyndall J., the Early History of Diamagnetism, Annals of Science, 4, 2014
- de Marcillac P., Coron N., Dambier G., Leblanc J., Moalic JP., Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature, 2003, 693(422), str. 876–878
- Mulay L.N., Boudreaux E.A., Theory and applications of molecular diamagnetism, Wiley, Nowy Jork, 1976
- Nave C.L., Magnetic Properties of Solids, Hyper Physics, 09.11.2008
Marek Ples