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1999 | Buch

Magnetochemie

Eine Einführung in Theorie und Anwendung

verfasst von: Prof. Dr. rer. nat. Heiko Lueken

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : Teubner Studienbücher Chemie

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Einleitung
Zusammenfassung
In großem Maße nutzt man Materialien mit speziellen magnetischen Eigenschaften, z.B. in der Elektrotechnik, dem Maschinenwesen, der Medizin; auch in der belebten Natur spielen magnetische Vorgänge eine Rolle. Zur Entwicklung neuer Materialien mit sorgfältig abgestimmten magnetischen Eigenschaften sind Kenntnisse über die Theorie des Magnetismus eine wichtige Voraussetzung. Darüber hinaus sind die magnetischen Eigenschaften der Materie für das Studium der chemischen Bindung von Interesse. Nur sehr genaue Modelle zur chemischen Bindung können die magnetischen Eigenschaften gut beschreiben. Die Untersuchung und Charakterisierung magnetischer Phänomene ist, wie wir sehen, somit ein bedeutendes Gebiet in Chemie, Physik und Materialwissenschaft.
Heiko Lueken
1. Magnetische Kenngrößen
Zusammenfassung
Die für die Magnetochemie wichtigen Größen Magnetisierung, magnetische Sus- zeptibilität, Permeabilität und magnetisches Dipolmoment werden vorgestellt. Wir verwenden das Einheiten-System SI. Faktoren zur Umrechnung in das noch verbreitete CGS(Gauss)-System findet man im Anhang A.l.
Heiko Lueken
2. Erscheinungsformen des Magnetismus
Zusammenfassung
Das Verhalten von Materie im Magnetfeld hängt insbesondere davon ab, ob Zentren mit magnetischen Momenten anwesend sind und ob es sich um einen metallischen Leiter oder einen Isolator handelt. Die in Kapitel 1 vorgestellten Begriffe werden vertieft und die Erscheinungsformen des Magnetismus mit einigen typischen Beispielen vorgestellt.
Heiko Lueken
3. Theorie freier Ionen
Zusammenfassung
Ausgangspunkt für das Verständnis des Magnetismus chemisch gebundener Ionen ist das mit Hilfe der Quantenmechanik vorhersagbare magnetische Verhalten freier Ionen. Zunächst werden die erforderlichen quantenmechanischen Grundlagen vorgestellt. Es folgt die Behandlung der Drehimpulse bei Ein- und Mehrelektronensystemen unter Berücksichtigung der interelektronischen Wechselwirkung und der Spin-Bahn-Kopplung. Den Abschluß bilden Zeeman1)- Effekt und magnetische Suszeptibilität.
Heiko Lueken
4. Einfluß der Umgebung I: Ligandenfeld
Zusammenfassung
In Kapitel 3 haben wir die mit Hilfe der Quantenmechanik vorhersagbaren magnetischen Eigenschaften eines freien Ions behandelt. Das Verhalten in kondensierter Phase weicht i. a. davon ab, bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Zentralion und den Liganden sowie der Zentralionen untereinander. Wir lassen die letztgenannten Wechselwirkungen, die sog. Kollektiveffekte, hier außer acht, setzen also „magnetisch isolierte” Zentren voraus. Nach Vorbemerkungen zur Symmetrie und Gruppentheorie wird der Operator vorgestellt, der die elektrostatische Wechselwirkung der Valenzelektronen mit den Liganden repräsentiert. Wir wenden zuerst den Operator für kubische Ligandenfelder auf Einelektronen-, danach auf Mehrelektronensysteme an und diskutieren jeweils die magnetische Suszeptibilität. In gleicher Weise werden anschließend nichtkubische Systeme behandelt.
Heiko Lueken
5. Einfluß der Umgebung II: Kooperative magnetische Effekte
Zusammenfassung
Die magnetisch relevanten Wechselwirkungen zwischen Zentren mit ungepaar-ten Elektronen können von zweierlei Art sein: (1) magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung (MDD), hervorgerufen durch das auf einen Dipol wirkende Magnetfeld eines anderen [53], (2) Austauschwechselwirkung1) zwischen Elektronen verschiedener Zentren, von elektrostatischer Natur wie die Wechselwirkung zwischen Elektronen des gleichen Atoms (und dort für die LS-Kopplung verantwortlich). Meistens überwiegt die Austauschwechselwirkung. Bei elementarem Nickel als Beispiel weist der Curie-Punkt T c = 627 K (s. Tab. 2.5) auf die Temperatur hin, bei der die Austauschwechselwirkung zwischen den Nickelatomen (Abstand ≈ 250 pm) von der Größenordnung der thermischen Energie k B T ist. Die rein magnetische MDD-Wechselwirkung zweier atomarer Dipole wäre T < 1K äquivalent. Die Austauschwechselwirkung nimmt jedoch bei Vergrößerung des Abstands der magnetischen Zentren stärker ab als die MDD-Wechselwirkung, jedoch kann für erstere kein einfaches Gesetz angegeben werden. Bei paramagnetischen Salzen der 3d-Elemente ist die Austauschwechselwirkung i. a. bis zu einem Abstand der Zentren von ≈ 600 pm stärker als die MDD-Wechselwirkung. Unter dieser Bedingung sind jedoch beide so klein, daß sie sich erst bei T < 1K im magnetischen Verhalten bemerkbar machen [30]. Wir werden uns ausschließlich mit den Austauschwechselwirkungen befassen.
Heiko Lueken
A. Einheiten, Konstanten, Inkremente
Zusammenfassung
Wir verwenden das auf den vier Größen Länge (m), Masse (kg), Zeit (s) und Stromstärke (A) beruhende Einheiten-System SI (MKSA). In Tab. A.l sind die für die Magnetochemie wichtigen Größen aufgeführt.
Heiko Lueken
B. Kopplung von Drehimpulsen
Zusammenfassung
Mit Gl. (4.13) wurde die Darstellungsmatrix für die Drehung eines Vektors mit den Ortskoordinaten (x, y, z) vorgestellt, und in den Beispielen 4.6 bis 4.8 sahen wir, daß sie auch auf Funktionen anwendbar ist. Im folgenden wollen wir die Rotationsmatrix für spezielle Funktionen, die Eigenfunktionen des Drehimpulses, |JM› mit M = −J, −J + 1,…, J herleiten. (J steht hier stellvertretend für eine Spin-, Bahn- oder Gesamtdrehimpulsquantenzahl.) Dabei wird der wichtige Zusammenhang zwischen der Drehung dieser Funktionen und dem Bahndrehimpulsoperator hergestellt [143].
Heiko Lueken
C. Irreduzible Tensor-Operatoren
Zusammenfassung
Um quantenmechanische Rechnungen zu vereinfachen, muß ein möglichst großer Nutzen allein aus der Symmetrie des Systems gezogen werden. Mit der Methode der irreduziblen Tensoroperatoren, von Racah [192] und Wigner für atomare Systeme auf der Basis der Gruppentheorie entwickelt, gelingt dies in äußerst effizienter Weise. In der Anwendung auf atomare Systeme stellt sie einen wesentlichen Teil der Theorie der Drehimpulse dar. Die Methode wurde zunächst umfassend zur Berechnung der Matrixelemente kugelsymmetrischer Systeme1) (Atome, freie Ionen) entwickelt[192] und später auf niedersymmetrische Systeme ausgedehnt[193].
Heiko Lueken
Backmatter
Metadaten
Titel
Magnetochemie
verfasst von
Prof. Dr. rer. nat. Heiko Lueken
Copyright-Jahr
1999
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-80118-0
Print ISBN
978-3-519-03530-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-80118-0