0284. Perchè il ferro si comporta come un magnete?

Qual è la spiegazione, a livello atomico, del fatto che il ferro si può comportare come un magnete? ( Gian Paolo)

Il ferro , come il cobalto , il nichel o terre rare come il gadolinio , il disprosio e altri composti contenenti tali elementi, solo alcuni dei materiali cristallini che si classificano come ferromagnetici. Vediamo cosa comporta tale caratteristica e cosa accade a livello atomico. È prima necessario introdurre due concetti molto importanti in fisica: lo Spin  ed il Principio di esclusione di Paul .

Lo Spin   è una quantità puramente quantistica che non ha un analogo in fisica classica. Per rendere il concetto può familiare si può immaginare una particella elementare come un oggetto in rotazione (dall'inglese: spin). Tale rotazione determina un momento angolare  intrinseco che è appunto lo spin. Particelle con spin semi-intero (come l'elettrone) si chiamano fermioni , mentre particelle con spin intero (p.es. il fotone) si chiamano bosoni. Il Principio di Esclusione di Pauli è uno dei cardini della fisica moderna. Prende ovviamente nome dal grande fisico Wolfrang Pauli . La sua formulazione più semplice dice che due fermioni non possono occupare uno stesso stato energetico. Ad esempio se due elettroni giacciono sullo stesso livello atomico (stessa energia), per rispondere al principio di Pauli devono avere spin opposto e quindi avere uno stato fisico globale diverso.

Atomo di elio. Due elettroni ruotano sulle loro orbite intorno al nucleo composto di due protoni e due neutroni dei quali è rappresentata la struttura interna costituita da quark.

Lo spin dell'elettrone accoppiandosi al momento angolare orbitale creato dal fatto che si ha una particella carica in rotazione, origina un dipolo  magnetico cioè crea un micro campo magnetico. Ora se poniamo il materiale in un campo magnetico avviene quella che chiamiamo magnetizzazione: i dipoli del cristallo tendono ad allinearsi parallelamente al campo esterno. Quando il campo esterno scompare possono avvenire due differenti processi: nel caso ferromagnetismo i micro- dipoli restano allineati mentre, se i micro-dipoli perdono il loro allineamento, siamo nel campo del paramagnetismo . La questione sembra terminata qui, ma non lo è affatto. L'esistenza del ferromagnetismo è dovuto ad un fenomeno puramente quantistico ed è qui che interviene il Principio di esclusione di Pauli. Facendo bene attenzione a quando ci si riferisce ad un dipolo magnetico e a quando invece ad elettroni, si può dire che se l'atomo dovesse seguire le leggi della meccanica  classica, due dipoli vicini nel cristallo tenderebbero ad allinearsi in verso opposto l'un l'altro. Nel ferromagnet,e al contrario, essi tendono ad allinearsi nello stesso verso a causa proprio del Principio di Pauli. In particolare: due elettroni con lo stesso spin non possono trovarsi nello stesso stato e così sentono una repulsione che diminuisce la loro energia elettrostatica. Tale differenza di energia, detta energia di scambio, induce gli elettroni vicini ad allinearsi. A questo punto passiamo dal microscopico al macroscopico, cioè vedendo l'effetto globale su migliaia di atomi, quindi all’ordine di grandezza tra il centesimo di millimetro e il millimetro. L'energia di scambio è dominata dalla tendenza "classica" ad anti-allineare i dipoli. In pratica il cristallo si organizza in domini chiamati "regioni di Weiss" che mostrano dipoli allineati per piccole distanze, ma anti-allineate a distanze maggiori (A).

Regioni di Weiss in assenza di campo magnetico esterno (A) e sotto l’effetto del campo magnetico esterno (B).

Un cristallo di ferro, quindi, globalmente non mostra magnetizzazione o mostra una magnetizzazione molto bassa. Quando però il cristallo è sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, i domini la cui magnetizzazione è concorde con la direzione del campo esterno, si ingrandiscono a spese delle altre regioni ed il cristallo acquista una magnetizzazione (B). In un cristallo molto regolare i confini delle regioni di Weiss si muovono con elevata velocità e la magnetizzazione dell'intero cristallo avviene con estrema facilità. In questo tipo di cristalli quando il campo magnetico esterno scompare, i domini di Weiss ritornano alla configurazione iniziale perdendo progressivamente la magnetizzazione. Nel caso in cui il reticolo sia particolarmente irregolare o impuro, la magnetizzazione avviene più lentamente ma, una volta raggiunta, i vari domini avranno difficolta' a muoversi e quindi a tornare all'equilibrio di non magnetizzazione. Ciò spiega perché per realizzare artificialmente un magnete permanente si introducono nel cristallo impurita', difetti cristallini e si realizzano strutture cristalline asimmetriche. Esistono composti, anche naturali, che possono mantenere la magnetizzazione per decine di migliaia di anni! Un modo per distruggere la magnetizzazione di un cristallo è quella di aumentare la sua temperatura. La maggiore vibrazione  del reticolo cristallino ostacola l'allineamento dei dipoli. Oltre una temperatura, specifica per ciascun cristallo -detta temperatura di Curie -, è impossibile per tale cristallo mantenere una magnetizzazione spontanea. Il ferromagnete  al di sopra della temperatura di Curie si comporta come un paramagnete. A titolo di esempio la temperatura di Curie per il ferro è 1043 ^oK, per il cobalto è 1388 ^oK mentre per il nichel è 627 ^oK.

Pasquale Di Nezza – Fisico