Кудреватых_Магнетизм редкоземельных металлов и их интерметаллических соединений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Н. В. Кудреватых, А. С. Волегов

Магнетизм редкоземельныхметалловиих интерметаллическихсоединений

Рекомендовано методическим советом УрФУ в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся

по программе магистратуры по направлениям подготовки 03.03.02 «Физика», 27.03.01 «Стандартизация и метрология»

Екатеринбург Издательство Уральского университета

2015

УДК 539.2/6(075.8) К888

Рецензенты:

Н. В. М у ш н и к о в, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией ферромагнитных сплавов (Институт физики металлов УрО РАН);

А. С. Е р м о л е н к о, доктор физико-математических наук, профессор (Институт физики металлов УрО РАН)

Кудреватых, Н. В.

К888 Магнетизм редкоземельных металлов и их интерметаллических соединений : [учеб. пособие] / Н. В. Кудреватых, А.С.Волегов;М-вообразованияинаукиРос.Федерации,Урал. федер. ун-т.– Екатеринбург :Изд-воУрал. ун-та, 2015. –198с.

ISBN978-5-7996-1604-5

В учебном пособии изложены сведения о магнетизме редкоземельных металлов и их интерметаллических соединений, начиная с истории открытия редкоземельных элементов и до современных представлений о природе их магнетизма. Учебное пособие позволит студентам лучше понимать физические принципы использования интерметаллидов в практических приложениях и может служить основой для разработки ими новых магнитных материалов после окончания университета.

УДК 539.2/6(075.8)

ОГЛАВЛЕНИЕ

6.4.Элементы теории магнитокристаллической анизотропии по механизму кристаллическогополя и анизотропногообмена 65

3

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МИРОВЫЕ И РОССИЙСКИЕ ЗАПАСЫ, ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ

ИСОЕДИНЕНИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

1.1.История открытия редкоземельных элементов

В1787г. лейтенантшведской армии минералог-любительКарл Аррениус нашел в заброшенном карьере поблизости от шведской деревни Иттерби неизвестный прежде черный блестящий минерал

иназвал егов честь местонахождения – иттербит. Это событие положило начало эры открытий редкоземельных элементов (РЗЭ, R)

иих последующих практических применений.

Через семь лет, в 1794 г., финский профессор Ю. Гадолин исследовал иттербит и обнаружил в нем среди соединений магния, железа и кремния неизвестную ранее примесь, похожую одновременно и на оксид кальция, и на оксид алюминия. Гадолин назвал эту примесь иттриевой землей. В товремя землями называли тугоплавкиеплотныеоксидыметаллов.Примечателентотфакт,что,проявив уважение к финскому ученому, шведский химик А. Экберг спустя три года после открытия иттриевой земли предложил переименоватьиттербитв гадолинит. Послеописанногооткрытия многие знаменитые ученые проявили необычайный интерес к иттриевой земле и минералу гадолиниту.

Научный коллектив знаменитого шведского химика Й. Я. Берцелиуса иегостудентыпродолжили изучениенаходкиС.Аррениуса и открытияЮ. Гадолина. Й. Берцелиус, будучиуникальным ученым, сочетающим в себе новаторские идеи и широту взглядов истин-

6

ногоэнциклопедиста, открыл целыхтри элемента:радиоактивный торий, селен и церий. Но главное – он воспитал целую группу молодыхученых, которымвпоследствии былосужденооткрытьбольшинстворедкоземельныхметаллов(РЗМ).Допорыдовремени никто не догадывался, что иттриевая земля содержит оксиды не одного, а целогосемейства новыхэлементов – иттрия (Y), лантана (La), тербия (Tb), эрбия (Er) и иттербия (Yb).

Ученик Берцелиуса – К. Мосандер увлекся изучением другой редкой земли – цериевой, доказав, чтои в ней содержится несколько неизвестных науке элементов, и предположил, что такие тайны скрывает и иттриевая земля. Именно он обнаружил в цериевой земле следы нового элемента лантана (La), буквально скрывавшегося за церием (отсюда и егоназвание – лантан, от греческого слова «скрытый»). Он жепредложил назвать всепохожие на него элементылантанидами или лантаноидами.

Так или иначе, но любопытство К. Мосандера заставило его вновьобратитьсякизучениюиттрияииттриевой земли. Изиттриевой земли он сумелвыделитьпоочередножелтый, розоватый и бесцветный осадки оксидов новых элементов. Названия, которые дал К. Мосандерэтимоксидами соответствующимимэлементам, символизировали разделение исходной иттриевой земли, обнаруженной в минерале гадолините: от начальной части названия деревни Иттерби «итт» получила свое имя бесцветная окись иттрия, от «тер» – желтая, ставшая тербиевой землей, и от «эрб» – розоватая, именуемая с тех пор эрбиевой.

В40–60-х гг. XIXв. в Ильменских горах Урала былобнаружен еще один неизвестный черно-бархатистый (как и иттербит!) минерал, названный в честь настоятеля рудника полковника Самарского – самарскитом. Поназванию минерала обнаруженный в нем новый элемент французский химик Ф. Лекок де Буабодран назвал самарием (Sm). В дальнейшем в этом же минерале были открыты празеодим (Pr), неодим (Nd) и гадолиний (Gd). Невсе просто было с компонентом гадолинита – эрбиевой землей, которая оказалась смесью нескольких оксидов неизвестных лантаноидов.

7

Витогешвейцарский химик Ж.-Ш. Мариньяк, француз Ф. Лекок де Буабодран и шведский химик П. Т. Клеве выделили из эрбиевой земли, наряду с самим эрбием (Er), новые элементы – тулий (Tm),гольмий (Ho)и диспрозий(Dy). Вназванияхпервыхдвух из них была запечатлена Скандинавия, названия элементам № 67

и№ 69 дал П. Клеве: Holmia – так пишется по-латыни старинное названиеСтокгольма, Thule– так вовремена Римской империи называли Скандинавию и север Европы. Сложнее всего было с диспрозием(Dy); элементполучилвполнеоправданноеназвание: диспрозий означает труднодоступный. Спустя некоторое время исследователю самарскита французу Э. Демарсе удалось получить еще один неизвестный элемент, получивший название европий (Eu). С иттербием (Yb) же связано открытие лютеция (Lu) – последнего из редкоземельной семьи, обнаруженного на нашей планете. Это случилось в 1905 г., когда Ж. Урбен (Франция), а немного спустя К. Ауэрфон Вельсбах(Австрия)сообщили, чтовиттербиевойземле есть еще один новый элемент – лютеций (Lutetium – старинное латинское названиеПарижа).

Так в началеXX в. почти всечлены редкоземельной семьи были обнаруженыи описаны.Оставаласьпустой толькоклетка периодической таблицы под № 61. Этот элемент открывали, закрывали

ивновь открывали много раз. Но в 1947 г. была поставлена точка: американскиеисследователи Дж.Маринский,Л.ГлендениниЧ. Кориелл действительно нашли его среди продуктов, образующихся в ядерном реакторе. Последний лантаноид и последний редкоземельный элемент получил свое название в честь подарившего людям огонь Прометея – прометий (Pm). Открытием прометия завершилась удивительная история длиной в 160 лет (табл. 1). И как говорил Ж. Урбен после того, как совершил 15 тыс. кристаллизаций для выделения лютеция, «история открытия редких земель – море ошибок, и истина в нем тонула». Но великие химики трех веков справились со своей задачей и подарили миру 17 новых элементов, изучение необычных и подчас уникальных свойств которых ведется и по сей день.

8

* Приводится по: [1].

9