title-icon
Яндекс.Метрика
» » Магнитные свойства минералов

Магнитные свойства минералов

Магнитные свойства минералов, т. е. их взаимодействие с магнитным полем, определяются магнитными свойствами составляющих их атомов и магнитной структурой минералов (расположением и взаимодействием атомов).
По существу все минералы являются магнетиками: они способны намагничиваться в магнитном поле. Наиболее четко эта способность проявляется у минералов, содержащих атомы, имеющие собственный магнитный момент, обусловленный наличием неспаренных электронов. Их магнитность в общем пропорциональна числу неспаренных электронов, каждый из которых имеет элементарный магнитный заряд в 1 Mв (магнетон Бора равен 0,927*10в-20 эрг/гаусс). К ним принадлежат ионы переходных элементов, а также лантаноиды и актиноиды: Fe3+, Mn2+, Fe2+, Mn3+, Mn4+, Cr3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, TR3+ и U4+.
Степень намагниченности характеризуется вектором намагничения J, который равен магнитному моменту единицы объема. Основной характеристикой магнитных свойств минералов является магнитная восприимчивость (к), которая определяется отношением вектора намагничения (J) к напряженности магнитного поля (H):
Магнитные свойства минералов

По магнитной восприимчивости минералы делятся на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные и антиферромагнитные.
Диамагнитные минералы (от греч. диа — префикс, означающий тут удаление) состоят из атомов, не имеющих собственных магнитных моментов. Направление вектора намагничения J у этих минералов противоположно направленности внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость (к) диамагнитных минералов небольшая и является отрицательной величиной, т. е. к < 0. Обычно она находится в пределах от —10в-6 до —10в-7 (например, для галита — NaCl она равна —1,8*10в-6, для самородной меди — 0,086*10в-6).
Магнитные свойства диамагнитных минералов, как правило, не зависят от температуры, но в некоторых «аномальных» диамагнетиках магнитная восприимчивость с повышением температуры возрастает (например, у графита).
Парамагнитные минералы (от греч. пара — возле, у, при) содержат как основную составную часть или примесь атомы с собственным магнитным моментом. В магнитном поле они обнаруживают слабую намагниченность в направлении магнитного поля. Их магнитная восприимчивость (и) положительна, но, как правило, очень небольшая — от 10в-3 до 10в-6. Так, у пирита (Fe[S2]) она равна 0,21*10в-6. Однако у сфалерита — ZnS (к = —0,17*10в-6), содержащего в качестве примеси атомы Fe2+, магнитная восприимчивость (к) достигает 25*10в-6.
Парамагнитные свойства минералов могут вызываться магнитными моментами ядер и электронов, слагающих минералы атомов. В первом случае магнитная восприимчивость зависит от температуры, так как при изменении интенсивности теплового потока изменяется ориентировка магнитных моментов ядер (в определенной мере это относится и к парамагнитным свойствам, вызываемым атомами). Ядерный парамагнетизм можно наблюдать при температуре ниже 4° К в минералах, которые в обычных условиях являются диамагнитными.
Ферромагнитные минералы (от лат. ferrum — железо) также содержат атомы с собственным магнитным моментом либо в виде основной составной части, либо как примесь. В магнитном поле намагниченность ферромагнитных минералов сильная, а магнитная восприимчивость положительная и очень высокая. Так, для камасита (космического самородного железа с примесью никеля) она достигает 1400000*10в-6.
Ферромагнитные минералы обладают спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью (J), имеют свой магнитный момент и создают вокруг себя магнитное поле.
Антиферромагнитные минералы, как и две предыдущие группы, содержат атомы с собственным магнитным моментом как основную составную часть или примесь, в которых магнитные оси ориентированы антипараллельно. У ряда минералов это приводит к компенсации магнитных моментов, вследствие чего в магнитном поле они получают небольшую намагниченность (скомпенсированные антиферромагнитные минералы). Их магнитная восприимчивость очень мала, но положительна. У нескомпенсированных антиферромагнитных минералов (ферримагнитных) намагниченность в магнитном поле сильная, магнитная восприимчивость положительная и может быть высокой. Эти минералы обладают спонтанной намагниченностью (Js), имеют свой магнитный момент структуры и создают вокруг себя магнитное поле. Примером скомпенсированных антиферромагнитных минералов может служить гематит Fe2O3 (к = 20,6*10в-6), а некомпенсированных — магнетит Fe2+Fe3+O4 (к = 1000000*10в-6).
У пирротина, скомпенсированного антиферромагнитиого минерала, при стехиометрических отношениях FeS благодаря примеси магнитных ионов Fe3+ (его формула Fe2+1-nFe3+2/3nS) возникает ферримагнетизм (к = 1500*10в-6 — 6110*10в-6).
Схема магнитной структуры минералов приведена на рис. 59.
Кристаллы ферромагнитных и ферримагнитных минералов обладают способностью самопроизвольного деления на отдельные магнитные участки размером от 10в-5 до 10в-3 см, получившие название доменов (от лат. dominium — имение, владение). Магнитная структура каждого домена однородна.
Домены имеют антипараллельную ориентировку магнитных осей и при наложении магнитного поля декомпенсируются, в результате чего возникает магнитный момент кристалла (в природных кристаллах минералов доменная структура всегда несколько декомпенсирована). Декомпенсация может быть обратимой и необратимой. При необратимой декомпенсации возникает кристалл-магнит.
Спонтанная намагниченность доменов зависит от температуры: максимальной бывает при абсолютном нуле, с повышением температуры уменьшается. В точке Кюри ферромагнитные вещества теряют свой ферромагнетизм и становятся парамагнитными. Каждый ферромагнетик имеет свою точку Кюри. Так, для железа она равна 770 ± 10°С, для магнетита 572 ± 7° С и т. д. На результатах измерений точек Кюри и удельной намагниченности основывается термомагнитный анализ.
Магнитные свойства являются анизотропными даже для минералов кубической сингонии: намагниченность их в разных направлениях различна. Вместе с тем существует направление наибольшего намагничивания, именуемое магнитной осью (в магнетите, например, она отвечает направлению). Все минералы могут иметь только одну магнитную ось.
Как отмечалось выше, магнитные свойства минералов зависят от магнитности составляющих их атомов и магнитной структуры, определяемой расположением и взаимодействием этих атомов. Следовательно, определенное значение для проявления магнитных свойств минералов должен иметь тип химической связи. Действительно, увеличение степени ковалентности связи приводит к уменьшению магнитной восприимчивости, а переход к металлическому типу вызывает ее повышение и появление ферромагнетизма или антиферромагнетизма. Таким образом, ферромагнитные минералы характеризуются металлическим типом связи, а минералы с ионной и ковалентной связью являются либо парамагнитными, либо диамагнитными.

Магнитность минералов определяется с помощью свободно вращающейся магнитной стрелки, к концам которой подносится минерал, или измерением магнитной восприимчивости. Для слабомагнитных минералов она устанавливается с помощью магнитных весов, принцип действия которых основан на измерении силы взаимодействия минерала с магнитным полем. Для некоторых минералогических целей используется также радиочастотный метод измерения магнитной восприимчивости.
Магнитная восприимчивость сильномагнитных минералов измеряется с помощью баллистического метода, основанного на изменении индукции катушки, в которой помещен образец, в зависимости от изменения намагниченности образца в магнитном поле.
Магнитные свойства минералов изучены очень слабо, но имеющиеся данные показывают, что магнитная восприимчивость многих минералов испытывает значительные колебания, в большинстве случаев обусловленные содержащимися в минералах примесями.
На магнитных свойствах основано разделение минералов магнитом — магнитная сепарация и электромагнитом — электромагнитная сепарация в лабораториях и на обогатительных фабриках.
Магнитная сепарация осуществляется с помощью подковообразного или брускового магнита и позволяет отделить ферромагнитные минералы от парамагнитных.
Для электромагнитной сепарации используется электромагнит, питаемый от осветительной сети или аккумулятора. При электромагнитной сепарации возможно отделение ферромагнитных минералов от парамагнитных и диамагнитных.
На магнитных свойствах минералов основаны также поиски и разведка месторождений полезных ископаемых.
В последние годы в связи с изучением электронного строения твердого тела на основании явлений резонанса — электронного парамагнитного (ЭПР), ядерного магнитного (ЯМР), ядерного квадрупольного (ЯКР), ядерного-гамма или эффекта Мессбауэра (ЭМ) и др. — стало возможным изучать тонкие детали электронной структуры отдельных атомов в кристаллической решетке минералов. Возникли новые методы магнитной радиоспектроскопии (ЭПР, ЯМР, ЯKP) и магнитной гамма-спектроскопии (ЭМ). В основе этих методов лежит измерение частоты резонансного поглощения переменного магнитного поля (ЭПР, ЯМР), прикладываемого к изучаемому минералу, и исследование формы соответствующих спектральных линий магнитного поглощения.
В минералогии эти методы еще не нашли широкого применения, но отдельные результаты показывают большую их перспективность для решения многих минералогических вопросов, в частности связи свойств минералов с их электронным строением.
Методом электронного парамагнитного резонанса можно изучать парамагнитные ионы, которые находятся в минералах в количествах от 0,n до 0,000n%. К ним принадлежат Fe3+, Fe2+, Mn2+, Cr3+ и TR3+, т. е. ионы, которые чаще всего образуют примеси в минералах. Причем ионы Cr3+, Mn2+, Fe3+, Ni2+, Cu2+ и Eu2+, Gd3+ изучаются при комнатной температуре, но в основном наблюдения производятся при низких температурах (например, для большинства TR3+ - 20° К, для Fe2+ и Ti3+ < 40° К и т. д.).
Кроме парамагнитных ионов, методом ЭПР можно исследовать центры окраски, свободные радикалы, дефекты в кристаллах и некоторые другие свойства.
Описание метода ЭПР, как и других, дается в соответствующих руководствах, приведенных в конце главы. Здесь же мы лишь укажем, что для исследования необходим кристалл размером 4—9 мм, который закрепляется в резонаторе в ориентированном положении. Кристалл вращается вокруг какого-либо характерного кристаллографического направления и через 5—10—20° снимается спектр. Измерение спектра на разных интервалах позволяет определить точное расположение энергетических уровней в изучаемом минерале.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) дает возможность установить структурное положение водорода в минерале, тип воды, входящей в состав минерала, и особенности ее связи с каркасом, координацию некоторых ионов, в частности бора, а также отношения «порядок — беспорядок» в минералах (например, положение алюминия и натрия в полевых шпатах).

title-icon Подобные новости