Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
замещенная форма - титаномагнетит. В этой главе мы опишем природу магнетизма (точнее, ферримагнетизма) магнетита и в первую очередь -его монокристаллов. Затем, основываясь на теории магнитных доменов, перейдем к исследованию свойств магнетита, зависящих от размеров частиц в образце, и различных вкладов в остаточную намагниченность. При этом мы не будем останавливаться только на седи-ментационной остаточной намагниченности (depositional remanent magnetization, DRM), поскольку лишь в очень ограниченном числе случаев убедительно доказано, что она обязана своим происхождением биогенному магнетиту. Наконец, мы обсудим некоторые магнитные методы определения доменного состояния и, следовательно, размеров частиц в образцах, содержащих магнетит.
2. Основные понятия
2.1. Структура шпинели
В структуре шпинели кристаллизуются очень многие оксидные минералы, в том числе и магнетит. Эта структура может включать катионы более 30 элементов в валентных состояниях от + 1 до + 6. Часто такие катионные примеси существенно влияют на физические и, в частности, на магнитные свойства шпинелей.
1 Subir К. Banerjee, Department of Geology and Geophysics, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota 55455. Contribution No. 1059 of the School of Earth Sciences, Department of Geology and Geophysics, University of Minnesota, Minneapolis. Bruce M. Moskowitz, Department of Geological and Geophysical Sciences, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544.
Рис. 2.1. Элементарная ячейка шпинели, в двух из восьми октантов которой показано расположение ионов (Gorter, 1955). Шесть остальных октантов подобны этим двум, причем октанты, имеющие общее ребро, обладают одинаковыми структурами, а имеющие общую грань-разными. Ионы металлов могут находиться в позициях А и В, окруженных четырьмя и шестью ионами кислорода (большие круги) соответственно. Ионы кислорода находятся на расстоянии примерно четверти пространственных диагоналей октантов от их вершины. Небольшие смещения иоиов кислорода из этих положений влияют на состояния ионов в позициях А и В. Стрелками показаны магнитные моменты в этих позициях, направленные навстречу друг другу (см. текст).
Элементарная ячейка шпинели (рис. 2.1) представляет собой гра-нецентрированный куб и относится к пространственной группе Fd3ml. В элементарной ячейке шпинельных оксидов 32 атома кислорода образуют как бы остов, в пустотах которого располагаются катионы. Существуют два типа таких позиций: тетраэдрические, или А-пози-ции,-в центрах тетраэдров, в вершинах которых находятся ионы кислорода, и октаэдрические, или В-позиции,-в центрах октаэдров, образованных, как и тетраэдры, кислородными ионами.
Положение ионов кислорода описывается параметром и, отличие которого от значения 0,25 соответствует смещению ионов кислорода вдоль осей [111] из позиций идеальной кубической плотноупакованной шпинельной структуры.
1 Более подробно кристаллография шпинелей описана в книге Крупичка С. Физика ферритов, т. 1-М.: Мир, 1976.- Прим. перев.
3-415
В элементарной ячейке шпинельного оксида имеется 64 позиции типа А и 32 позиции типа В, однако только 8 и 16 из них действительно заполняются катионами. Общую формулу такого оксида записывают в виде XY204, где X и Y-катионы разных валентностей. В нормальной шпинели 8 Х-катионов занимают позиции типа А, а 16 Y-катионов-позиции типа В. В обращенной шпинели 8 Y-катионов занимают А-по-зиции, а 8 X- и 8 Y-катионов -В-позиции. Нормальная и обращенная структуры обозначаются соответственно X[Y2]04 и Y[XY]04. Существуют шпинели и с промежуточным распределением катионов.
2.2. Магнетит
Магнетит, как следует из нейтронографических данных (Shull et al., 1951), представляет собой обращенную шпинель с формулой Fe3+ [Fe2 + Fe3+]04. Постоянная решетки, по данным рентгенографии, полученным на природных и синтетических образцах, лежит в интервале от 8,393 до 8,396 А и зависит от содержания катионных вакансий и примесей (Lindsley, 1976). Согласно результатам нейтронографических исследований (Hamilton, 1958), и = 0,2548 + 0,0002 (при 23°С), что свидетельствует о почти идеальной кубической плотной упаковке ионов кислорода. Физические свойства магнетита описаны в табл. 2.1.
Магнитные моменты ионов железа, находящихся в А- и В-позициях, направлены навстречу друг другу и вдоль оси [111] (рис. 2.1). Антипараллельность моментов объясняется обменными взаимодействиями 3(/-электронов ионов железа, обусловленными перекрыванием их волновых функций с волновыми функциями 2/;-элекгронов, принадлежащих ионам кислорода. Величина и характер этих взаимодействий зависят от расстояния между ионами железа и кислорода и от валентных углов Fe—О—Fe, которые в свою очередь определяются положением ионов Fe2+ и Fe3+ в структуре шпинели. В магнетите абсолютные значения обменных взаимодействий удовлетворяют неравенствам АВ126» » ВВ90 >АА79 » АВ154 ^ ВВ^25 > здесь индексы указывают значения валентных углов Fe—О—Fe. При этом взаимодействия АВ,26 и ВВ90 отрицательны, т. е. способствуют антипараллельной направленности магнитных моментов соответствующих ионов; взаимодействие АА79 положительно и ведет к копараллельному упорядочению; взаимодействия АВ154 и ВВ,25 пренебрежимо малы. Такие соотношения между обменными взаимодействиями приводят к упорядочению магнитных моментов ионов железа в магнетите, характерному для ферримагне-тиков. Обменное взаимодействие, преобладающее в магнетите (и вообще в ферритах) (Goodenough, 1963), называют суперобменным, указывая на важную роль, которую играют в нем ионы кислорода. Различают также прямой обмен, осуществляющийся без участия промежуточных ионов, однако для магнетита этот тип обмена несуществен из-за слишком больших расстояний между ионами железа.
