Riempimento elettronico dell'atomo di ferro

Consideriamo l'atomo di ferro. Numero atomico 26, pertanto 26 protoni nel nucleo e 26 elettroni. Per il principio di esclusione di Pauli possiamo mettere 2 elettroni sul livello 1s, 8 elettroni sul secondo livello 2s (2 elettroni) 2p (6 elettroni) Sul terzo livello vengono messi inizialmente 8 elettroni e dolo dopo aver messo 2 elettroni sul livello 4s verranno sistemati gli ultimi 6 elettroni sul livello 3d.

Perchè?

I sottolivelli d sono difficilmente occupabili in quanto occupano lo spazio lasciato libero dai sottolivelli s e p. Ecco come si presentano:

Gli elettroni preferiscono non accoppiarsi e pertanto si presentano tutti con lo stesso spin (o tutti spin up o tutti con lo spin down) .

Per questo motivo il sesto elettrone spesso è costretto a saltare sul sottolivello 4p (il ferro può avere anche numero di ossidazione 3).

I queste condizioni abbiamo ben otto elettroni con lo stesso spin che originano un campo magnetico atomico 8 volte più intenso di quello prodotto da un atomo paramagnetico.

Ferromagnetismo

Le proprietà delle sostanze ferromagnetiche sono responsabili del funzionamento delle bussole e calamite. I materiali ferromagnetici, tendono a rinforzare moltissimo il campo magnetico esterno in quanto i valori di  sono molto elevati. Nei materiali ferromagnetici, gli atomi hanno un momento magnetico non nullo (come per il paramagnetismo), ma l’orientamento di questi momenti magnetici non è completamente casuale. Infatti fra gli atomi vicini del materiale  vi è una forte interazione che porta alla formazione di gruppi di atomi, i domini magnetici, all’interno dei quali tutti gli spin  sono allineati tra di loro, ma i diversi domini sono disallineati tra di loro. Sotto l’azione di B i domini che hanno un orientamento magnetico parallelo a B tendono a modificare l’orientamento dei domini vicini allineandoli con il campo magnetico esterno o facendo contrarre tutti i domini il cui campo magnetico non è allineato con quello esterno. Si ha quindi un notevole incremento del campo esterno.

E’ possibile osservare direttamente i domini magnetici mediante un microscopio spargendo fine polvere di ferro sulla superficie del solido (Figura)

Gli spin tendono ad allinearsi secondo il meccanismo delle interazioni di scambio a corto raggio, ma vi è anche una interazione a lungo raggio dei dipoli magnetici che tende ad allineare gli spin in modo antiparallelo.
Se cominciamo a costruire un dominio partendo da pochi elettroni, inizialmente prevalgono le interazioni di scambio che allineano gli spin. Aggiungendo sempre più elettroni, un singolo spin sarà soggetto ad una sempre maggiore interazione di dipolo magnetico.
Si può verificare, a un certo punto, che l’interazione dei dipoli magnetici vinca sull’interazione di scambio e la parte adiacente di cristallo assuma un orientamento di tutti gli spin antiparallelo rispetto al dominio originale.

Quando si applica un campo magnetico ad un campione ferromagnetico tutti i domini tendono ad allinearsi col campo. L’allineamento si può realizzare in due modi.

Un dominio allineato correttamente può crescere a spese di un dominio vicino . Tra due domini vi è una zona di confine, di dimensioni finite, attraverso la quale si verifica progressivamente la trasformazione. L’effetto è di estendere il dominio iniziale. Il processo è reversibile: gli spin ritornano al loro stato primitivo togliendo il campo. Il secondo meccanismo di allineamento, che si verifica solo con campi magnetici forti, si basa sulle notevoli interazioni tra gli spin e il campo, in grado di allineare simultaneamente tutti gli spin.

Ciclo di isteresi

Il ciclo di isteresi  illustra le proprietà di magnetizzazione  delle sostanze ferromagnetiche, misurando il valore di B quando esse vengono sottoposte all’azione di un campo esterno, per esempio ponendole all’interno di un solenoide percorso da una corrente elettrica.  In questo caso si traccia il grafico che rappresenta il modulo di B nel materiale in funzione dell’intensità di corrente I . All’inizio se il materiale non è stato magnetizzato in precedenza, si ha B= 0, in quanto prevale il diamagnetismo ossia la tendenza di annullare le perturbazioni esterne.

All’aumentare della corrente aumenta anche B, ma il grafico non è rettilineo, indicando quindi che non c’è proporzionalità diretta tra B e I. quando la corrente aumenta ancora, B tende a un valore costante B , detto magnetizzazione di saturazione, che si raggiunge quando tutti gli atomi del corpo ferromagnetico si sono orientati nella direzione del campo del solenoide.  Riportando gradualmente a 0 la corrente, si osserva che la curva è diversa dalla precedente. In particolare per I=0 si ha un valore di B diverso da  0 che rappresenta la magnetizzazione residua B del materiale: una certa frazione di atomi è rimasta orientata nella direzione del campo esterno, anche quando esso si è annullato.

Applicando al solenoide una corrente in senso opposto, il corpo ferromagnetico, prima si smagnetizza (punto di intersezione con l'asse x) poi si magnetizza in verso opposto al precedente, e successivamente raggiunge un nuovo valore di saturazione opposto al precedente.

Riportando infine la corrente a 0 e poi invertendone nuovamente il senso, la curva si chiude come in figura.  

Questa curva mostra chiaramente i fenomeni di memoria che sono tipici di determinate sostanza.

Il ciclo d’isteresi da forma diversa per le diverse sostanze ferromagnetiche: infatti i magneti permanenti presentano valori di magnetizzazione residua più alti dei magneti temporanei.

Per alcuni ferromagneti, questa magnetizzazione è temporanea e  i loro domini magnetici si disallineano rapidamente ( ferro dolce). In caso contrario tale magnetizzazione è permanente come nel ferro duro ( magneti permanenti).  Anche i magneti permanenti comunque, possono perdere il loro magnetismo. Il riscaldamenti infatti può provocare una riduzione del magnetismo perché l’incremento del moto casuale degli atomi, tende a disallineare i domini; infatti al  di sopra della temperatura di Curie, i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà diventando materiali paramagnetici. Il ferromagnetismo si evidenzia quando nel solido metallico lo spin degli elettroni non accoppiati di un gruppo di atomi ( dominio di atomi) è lo stesso, ossia i momenti magnetici degli elettroni sono tutti orientati allo stesso modo. Superando il punto di Curie, questo allineamento viene a mancare: il materiale non reagisce più all’azione del campo magnetico.

Curiosità:

• il ferro, il nickel e il cobalto, una volta che i loro domini si sono allineati con B , risultano magnetizzati in permanenza. Ciò si usa per la datazione delle rocce vulcaniche: la lava che si raffredda dopo un’eruzione, scendendo al di sotto del punto di Curie, solidifica in roccia e acquisisce una magnetizzazione che ha la stessa direzione del campo magnetico terrestre in cui era immersa al momento del raffreddamento, mantenendola per sempre. Conoscendo l’orientamento del campo magnetico terrestre nei periodi passati è possibile datare l’epoca dell’eruzione.
• Le proprietà di memoria delle sostanze ferromagnetiche trovano impiego in una estesa varietà di memorie magnetiche, comprendenti nastri magnetici, dischetti, dischi magnetici e schede magnetiche. Il tipo più semplice di memoria magnetica è costituito da un anellino di materiale ferromagnetico, attraversato da un filo conduttore, che un breve impulso di corrente può magnetizzare in un verso a cui associamo la cifra 1, o nell’altro corrispondente allo 0: così l’anellino può memorizzare una cifra binaria o bit. Per memorizzare grandi quantità di informazioni, si dovrebbe usare un numero enorme di anellini: per questo si preferisce registrare le informazioni in piccole aree della superficie di dischi magnetici : ogni elemento di superficie si comporta come un anellino in cui si può scrivere un’informazione binaria elementare.