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Variations du moment atomique chez les paramagnétiques. États magnétiques et variétés diverses d'un même ion

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Academic year: 2021

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(1)

HAL Id: jpa-00233073

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Submitted on 1 Jan 1931

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Variations du moment atomique chez les

paramagnétiques. États magnétiques et variétés diverses d’un même ion

G. Foex

To cite this version:

G. Foex. Variations du moment atomique chez les paramagnétiques. États magnétiques et var-

iétés diverses d’un même ion. J. Phys. Radium, 1931, 2 (11), pp.353-375. �10.1051/jphys-

rad:01931002011035300�. �jpa-00233073�

(2)

VARIATIONS DU MOMENT ATOMIQUE CHEZ LES PARAMAGNÉTIQUES.

ÉTATS MAGNÉTIQUES ET VARIÉTÉS DIVERSES D’UN MÊME ION

Par G. FOEX.

Sommaire. 2014 Une espèce chimique déterminée peut, en général, prendre plusieurs

états magnétiques distincts caractérisés chacun par une valeur du moment de l’ion

magnétique et une valeur correspondante de la constante 03B8 de la loi de Weiss (point de Curie).

Droites coudées.

-

Le changement d’état est dû à l’action de la température. La

courbe expérimentale qui représente l’inverse du coefficient d’aimantation en fonction de la température se compose de segments de droite raccordés à angle vif. A chacun des

segments correspond une valeur du moment et une valeur de 03B8.

Le coefficient d’aimantation varie de façon continue au passage d’un état à l’autre;

la variation du moment est au contraire discontinue; elle se produit en même temps

dans tous les atomes de la substance; elle atteint en général un petit nombre de magné- tons de Weiss, rarement cinq (1 magnéton de Bohr).

Ces variations sont réversibles; suivant les substances, le moment augmente ou diminue à température croissante.

Toute variation du moment entraine une variation de 03B8; par contre 03B8 peut varier notablement sans que le moment change (déplacement parallèle des droites).

Exemples de substances donnant des droites coudées ; fer, néodyme, platine; ferrite de magnésie ; ferricyanure de potassium; chlorure de nickel et sulfate de nickel à 7H2O ; solutions aqueuses de sulfate ferreux ammoniacal et de chlorure cuivrique; oxygène gazeux fortement comprimé. Les observations relatives à ces diverses substances sont dues à de nombreux auteurs.

Variétés magnétiques.

-

Différents échantillons d’une substance déterminée peuvent

avoir des moments différents dans un même intervalle de température; ils constituent des variétés magnétiques différentes.

Premier cas.

2014

Les variations du moment sont provoquées par des circonstances

connues : structure cristalline ; nature du solvant, etc. Il s’agit alors d’espèces réellement

distinctes.

Deuxième cas.

2014

La cause des changements de propriétés magnétiques reste totale- ment inconnue ; en particulier, les conditions de milieu et de structure paraissent iden- tiques. Il arrive qu’un même échantillon prenne successivement plusieurs états magné- tiques sans que la cause du changement soit connue. Ces diverses variétés paraissent comparables aux différents états spectraux d’un élément. Dans la plupart des cas, la loi de Weiss se vérifie avec rigueur dans des intervalles étendus de température. Cela exclut les mélanges de variétés magnétiques à points de Curie différents. L’uniformisation de l’état magnétique de tous les atomes contenus dans un échantillon paraît donc être la

règle, comme dans le cas des droites coudées.

L’étude expérimentale des substances paramagnétiques a révélé depuis longtemps

l’existence de deux phénomènes importants par leur généralité et remarquables par l’allure

qu’ils présentent. Ils ont encore peu attiré l’attention des physiciens et sont restés jusqu’ici

en dehors de toute théorie.

Ces phénomènes sont : 1° les changements brusques de direction qui se manifestent souvent sur la droite de Weiss représentant l’inverse du coefficient d’aimantation d’une substance en fonction de la température (droites coudées). Ces changements de direction

mettent en évidence des variations discontinues et simultanées du moment atomique et

du point de Curie. C’est au moins l’interprétation à laquelle conduisent les théories actuelles du magnétisme; 2° l’existence de variétés magnétiques multiples caractérisées chacune par une valeur du moment atomique et du point de Curie et apparaissant tour à

tour sous l’influence de circonstances encore presque toutes inconnues et difficiles à élucider.

0

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01931002011035300

(3)

Ces deux phénomènes qui ont entre eux une parenté évidente font apparaître une

liaison étroite entre le moment atomique et le point de Curie.

Le mécanisme de cette liaison est tout à fait inconnu.

Je me propose de rassembler ci-dessous les données les mieux établies relatives à ces

deux phénomènes et d’exposer leurs caractères si particuliers.

~

A. Droites coudées.

Les coefficients d’aimantation ~y, mesurés à diverses températures, sur un même échan-

tillon, suivent la loi de (t

-

b)

=

C.

Leurs inverses sont représentés en fonction de la température par une portion de

droite dont le prolongement coupe l’axe des températures au point de Curie 9 et dont la

pente est égale à l’inverse de In constante de Curie C. Le moment atomique T a été calculé

à partir de cette constante au moyen de la relation de Langevin (1)..

~ == 3 ~ C. ~

0

Il arrive que la région rectiligne s’étende à un grand intervalle de température, limité

par l’anomalie cryomagnétique d’une part, la destruction de la substance par la chaleur,

d’autre part. Il en est ainsi, par exemple, pour Fe2 (SO~1)1, )In CI~ anhydres, etc., qui

donnent de bonnes droites entre

-

150, et + U~0°, pour les oxydes rares étudiés par

Williams, etc.

Mais il arrive aussi que la droite présente un coude : au-dessous d’une température t,

et jusqu’à cette température on observe une droite bien déterminée à laquelle correspondent

une constante de Curie Ci et un point el. Au-dessus de 1, les points cessent brusquement de s’aligner avec les précédents ; ils se placent, suivant les cas, au-dessus ou au-dessous de la droite. Très souvent, dès la température t, et au dessus, ils définissent avec précision une

deuxième droite caractérisée par les constantes C2 et 02.

Dans certains cas, il existe entre les deux droites, au voisinage de t, une région de

,transition plus ou moins étendue ; les deux droites sont alors raccordées par une courbe.

Dans les deux cas, la variation du d’aimantation reste continue.

Les premières droites coudées ont été observées par Weiss et Foëx (-) en 19i’f avec la magnétite et le fer à des températures supérieures à leurs’ points de Curie.

La découverte du magnéton, survenue un peu plus tard, a permis de mieux comprendre

le phénomène en montrant que les moments atomiques ne prennent qu’une suite discon- tinue de valeurs : à chaque droite en correspond une.

L’existence du coude montre que le moment change de façon discontinue. Sa variation, généralement, est égale à.. un nOlllbre entier et petit de magnétons. Il reste encore à expli-

quer pourquoi le changement se produit efi dans tous les atomes de la substance.

Métaux. - Fer. - La

figure 1 reproduit les résnltats obtenus par différents auteurs.

Au ûegré de précision des expériences, les points se placent sur deux droites de pentes différentes (3) .

Pour chaque segment, les droites des différents observateurs sont parallèles, niais

elles sont décalées les unes par rapport aux autres. Cela montre que, dans chaque état,

caractérisé par unie droite, le moment est bien défini, tandis que le point de Curie et la température cte transition t, dépendent de circonstances accessoires. Chez Preuss la

première droite n’existe pas; chez Welss et foîix diine part et Terry d’autre part, il y a

décalage pour la première droite, coïncidence pour la seconde.

(i) Voir pour la justification mode de calcul P. et C, 1?. , 187(~2~, Rapp. Coiriseil de Phys. Solvay (1930)...

( -) .1. de Phys., s., Z (19 il), p. 274 et ~44.

La figure 1 est empruntée à FoEx, de Phys. 9° s., 16 (1921), p. 174.

(4)

Ces caractères’ se retrouvent dans beaucoup d’autres coudes.

Pour le fer, les constantes de Curie correspondant aux deux régions rectilignes sont

déterminés avec peu de précision par suite de la faible étendue de ces régions ; chez Weiss

-et Foëx, elles sont voisines de 0,0395 et de 0,0273 qui correspondent aux moments 21 et

A7,5 magnétons.

Fig.1.

Depuis lors j’ai fait; quelques mesures très précises sur le fér au-dessus du point de

Elles n’ont pas confirmé te caractère rectiligne des graphiques en - et ont donné une

_

X

courbe continue. Mais ces expériences ont été faites dans des champs intenses et plus récem-

,ment encore on a aperçu que les phénomènes paramagnétiques peuvent changer d’allure

avec la grandeur du champ (’).

Praséodyme. - Owen (2) a étudié divers métaux rares préparés par Freund. Leur

pureté n’est pas certaine, ils se comportent cependant comme des substances de propriétés magnétiques parfaitement définis et non comme des mélanges. Pour l’erbium en particulier

les points expérimentaux, à l’exception de celui qui correspond à la température la plus élevée, se placent bien sur une droite donnant 8

~ -

22° et 19 magnétons environ.

La figure 2 représente les résultats obtenus pour le praséodyme. Les points se trouvent

,sur deux droites qui se raccordent par un coude à 200°C. L’écart du premier point avec la

,droite est dû sans doute à une anomalie cryomagnétique.

Les deux régions rectilignes donnent respectivement

La première valeur de 8 est positive ; il se peut que, au-dessous de 42° Ii, le coefficient {l) G. FOFX et P. COLLET, J. de Phys. 7e"B., 2 (f93i), 290, NÉEl., Thèse (inédit.

(2) 37 (1912), p. 657.

(5)

d’aimantation cesse d’être indépendant du champ et manifeste des phénomènes de satu-

ration. -

Fig. 2.

Néodyme. - Ce métal donne une première droite bien caractérisée par quatre points (fig. 3) avec 6 voisin de zéro et ~6,9 magnétons. Les deux points suivants ir:diquent un chan- gement brusque de direction vers 500° K. Si l’on admet qu’ils définissent une deuxième

droite, celle-ci correspond à un moment égal à 22 magnétons. Le nombre des mesures est

insuffisant pour permettre d’affirmer que cette deuxième région est bien rectiligne. Un

troisième point se place nettement en dehors et rend probable un deuxième changement des

direction.

Le cas du néodyme est remarquable par la grandeur de la discontinuité du moment, égale à 5 magnétons de Weiss ou peut-être un magnéton de Bohr.

Platine.

-

Il résulte des mesures de Kopp (1) que le platine possède 8 magnétons au-

dessous de 450°C et 9 au-dessus de 500°. Entre ces deux températures paraît s’étendre une région de transition à courbure continue.

Aux basses températures des mesures très précises (1) faites spécialement en vue de

l’étude des variétés magnétiques, ont démontré de manière indéniable l’existence de nom-

breux coudes. Par exemple un échantillon de platine pur, a donné, dans un champ de

6 000 gauss, 13,0 magnétons de

-

9.80° à -1l0° ; 10,5 de

-

L~0° à

-

10o et 8,5 de

-

30°

à -~- 100- (fig.4).

On remarquera sur la figure 4, vers

-

101, le point qui s’est placé au-delà du coude sur

le prolongement de la deuxième droite. Ce fait est assez fréquent et montre par l’existence métastable de l’un des états dans le domaine de l’autre que le coude correspond bien à un changement d’état.

(1) Thèse Zurich (1919).

C (2) Paule COLLET et G. FoEx. C. R., i92 (f931), p. 930.

(6)

Fig. 3.

Fig.4.

(7)

Composés du fer.

-

Ferrite de magnésie. - Ce cas est remarquable par la préci-

sion des expériences dues à y!lle Serres (~) et la netteté des coudes. Après correction du

paramagnétisme constant de Fe’O3 les points se placent snr deux droites, ou sur trois

droites (autre échantillon). Les constantes magnétiques possèdent les valeurs suivantes : -.

Fig.5.

Pour le deuxième échantillon le point à 460° se place comme pour le platine, sur le prolongement de la première droite au-delà du coude (fig. 5).

D’autres iertf’¡itA3’s, ceux de cuivre, de zinc, etc, donnent aussi deux droites.

_ ,

(1) Thèse, Strasbourg (1931).

(8)

Alun ammoniaco-ferrique.- L’échantillon étudié par Kamerlingh Onn e s et Oosterhuis(1),

suit la loi de Curie entre 14° et 290° Ii avec unmoment égal à~9 magnétons. Un autre échan- tillon étudié par Ishiwara (2) donne 30 magnétons avec 0 = 0entre I(1(i° et 255° K. Au-dessus de cette température la substance paraît prendre un nouvel état caractérisé par 8

=

47~

avec 27 magnétons (tableau I) :

TABLEAU 1.

Fe K + 2,2 ÏTO. 2013 Ce composé de fer et pyrocatéchine, étudié par Welo (3),

donne 26,5 magnétons au-dessous de 330° K et ~3°~ au-dessus. Les deux points de Curie correspondants sont

-

3° et + 69°. Les mesures qui ont fourni ces résultats ne sont pas d’une haute précision; elles méritent cependant une certaine confiance parce qu’elles ont

conduit pour beaucoup d’autres compos és du fer et du chrome à des résultats déjà bien

établis par d’autres auteurs.

Ferricyanure de potassium. - Les expériences de Ishiwara donnent avec une préci-

sion médiocre 13 magnétons et e

= -

49° entre 125° et 290°K. Collet et Birch (’) ont

retrouvé le même moment avec 0 ~. - 63" entre 200, et 284°K. Au-dessus de cette tempé-

rature les points se placent sur une autre droite à i2 magnétons et 0

‘ -

13°.

Le sommet du coude est .au voisinage de 240°.

_

Deux des points se trouvent sur le prolongement de la première droite au delà du

coude. C’est une nouvelle démonstration du fait que chacun des deux états peut persister

entre certaines limites de température dans le domaine de l’autre.

Des mesures plus récentes de Collet et Foëx ont entièrement confirmé ces

résultats.

Les expériences de Welo sur le ferricyanure donnent aussi deux droites avec un

coude; mais les moments sont différents : 12 magnétons et 0 .’ - 6° entre 200° et ~4~°;

il magnétons et 6

=

-{- 37° entre 345, et 4401.

(i) Conun. Phys. Leiden ~1914), 139.

(2) Sc. Rep. Tohoku Univ. (1914), 3, p. 303.

(3) Phil. JIag., 6 (1928), p. 48L

,

.

(4) C. R., 187 (1925), p. 35.

(9)

(1)L’échantillon étudié par Welo constitue donc une variété magnétique nouvelle.

Fig. 6.

Sels de nickel.

-

Chlorure anhydre. 2013Mesures de Théodoridès (’).

Sulfate à 7 H~O. - Jackson (2) a étudié trois sulfates de nickel avec les mêmes appareils

et dans les mêmes conditions : 1° le sulfate anhydre pour lequel il a obtenu i7 magnétons,

comme Ishiwara; ~’ le sulfate ammoniacal à 6Hs0 qui suit à peu de chose près la loi de Curie et donne le moment ordinaire des sels de nickel, 16 magnétons; le sulfate à

qui se comporte de façon tout à fait anormale.

L’accord des résultats de Jackson avec ceux des autres physiciens pour les deux (1) 1. de Phys., 3 (1922), p. 1.

(~) Phil. Trans. Roy. Soc., London, 224 (1923), p. 1..

(10)

premiers composés montre que l’anomalie observée pour le dernier n’est due ni au procédés d’observation ni aux appareils. De plus, en ce qui concerne le sulfate à 7 H20, quatre séries d’expériences distinctes ont été faites par deux méthodes différentes et toutes ont donné le même résultat. L’une des séries se rapportait au sel pulvérisé, les trois autres à un cristal

unique orienté par rapport au champ. La concordance des résultats fournit la preuve de la ,

réalité des phénomènes observés.

La figure 7 reproduit les résultats obtenus avec le sel pulvérisé. Les deux points rela-

tifs aux températures les plus élevées définis sent un état dans lequel le moment atomique

serait voisin de 14,B magnétons avec 0 = + b0°.

_

Fig. 7.

Les cinq points relevés aux très basses températures se placent bien sur une droite, à l’exception du point à 20°,33 qui se trouve au-dessus avec un écart de 5 pour 100 dans le-

cas de la poudre, ou 11 en température, et de 2 à 3 pour 100 dans le cas du cristal orienté (1).

*

Cette droite définit un nouvel état magnétique avec 19,5 magnétons et 9

= -

9°K environ.

Il y aurait donc une variation du moment égale à cinq magnétons de Weiss ou un magnéton-

de Bohr.

Jackson a attribué les particularités observées dans son sulfate de nickel à une anomalie-

cryomagnétique. Cette explication me paraît inexacte pour les raisons suivantes : 1° Les cinq points relatifs aux températures les plus basses sont en ligne droite.

~ CI) La figure 8 représente seulement la région de la première droite pour les 3 séries sur le cristal

orienté.

(11)

2° La substance est pratiquement isotrope

ce qui rend peu vraisemblable une anomalie aussi marquée. On ne connaît en effet, aucune

substance isotrope présentant une anomalie cryomagnétique notable.

Fig. 8.

,

3~ Une anomalie ne produit généralement pas de fortes déviations dans le même sens

pour les trois directions principales. Or c’est le cas ici.

Il est hors de doute que le sulfate à 7H2O de Jackson se trouvait dans un état magné- tique exceptionnel. Les mesures de Hof, citées par Jackson, donnent en effet une droite unique de la température ordinaire à 1~°,8 ~ avec 16 magnétons environ et 8

= -

1°,2.

-

Solutions aqueuses. - Les droites coudées ne se présentent pas seulement dans les

solides, mais aussi dans les solutions et probablement dans les gaz. (voirr ci-après, le cas de

l’oxygène). Il ne s’agit donc pas là, d’une propriété particulière des solides.

(12)

Solution de sulfate ferreux ammoniacal contenant 0 gr, 039 de rer par gramme de solution (J).

-

Au-dessous de 350oTB: :

Au-dessus de 3500, même série de mesures.

Les deux constantes de Curie, 0,0636 et 0,0736 donnent 26,5 et 28,5 magnétons.

Deux autres solutions du même sel ont donné des coudes.

Chlorure cuivrique en solution aqueuse à 8,42 pour 100.

-

Mesures de Birch 1’) :

de 0 à 40° 9 magnétons avec 6 = + 10°

40 à 850 10 magnétons avec

-

650

Par suite de la faible~ longueur des portions de droites les valeurs numériques des

’moments ne sont pas très sûres.

Oxygène gazeux comprimé. - Tant que la pression n’est pas trop élevée, l’oxygène

gazeux suit la loi de Curie, et d’après les mesures précises de Weiss, Piccard et Baguer (3), possède dix magnétons par atome.

L’oxygène liquide, soit pur, soit dilué dans de l’azote liquide, étudié dans des condi- tions telles que sa densité soit ramenée à la même valeur à toutes les températures, suit la

loi de Weiss avec un 6 proportionnel à la densité (~). Le moment atomique est le même que pour l’oxygène gazeux.

Kamerlingh Onnes et Oosterhuis ont montré que l’oxygène gazeux fortement

comprimé (densité égale à 0,15) suit. entre

-

130, et la température ordinaire, la loi de

Weiss avec une valeur de 6 voisine de celle que donnent les observations de Perrier et

Kamerlingh Onnes pour la même densité, 9

= -

504. Le moment est encore à 1 pour 100

près le même que dans les expériences précédentes.

La question a été reprise récemment par Woltjer, Coppoolse et Wiersma (1) qui ont

.étudié l’oxygène gazeux entre 1550 et 290, K. Cinq séries d’expériences ont été faites sur le

gaz aux densités 0,1~~; 0,320: 0,428 et 0,~’~3.

Pour chaque densité 7 est mesurà en fonction d’une constante de l’appareil; on extra- pole la valeur de ~r, trouvée à la température ordinaire jusqu’à la densité nulle et l’on com-

pare la limite ainsi obtenue pour Z avec celle de Weiss, Piccard et Bauer. On détermine

ainsi la constante instrumentale.

La conclusion des auteurs est t que la loi due s’applique, dans la limite de précision

des mesures ( ~/2 pour 100), entre ~90° et 175° avec une constante de Curie fonction de la

densité, mais qurau-dessous de cette température des écarts très marqués apparaissent.

La figure 9 représente les résultats. A la précision des expériences les points se pla-

cent pour chaque densité sur deux portions de droites. Il lne parait donc très probable que les écarts constatés à la loi de Weiss sont dus à l’existence d’un coude. Les droites rela-

(1) G. FoEx. Aitn. de Phys., De sO’, 16 (1921), p.

(~) J‘. de Phys-., 6~ s., 9 (192~), [y. 137.

(3) ~.~., 177 (29~~), p. 484.

(4) PERRIER et KAMERLINGH 0;;Es. Comm. Phys. Lab. Leiden (1914), p. 3 î, n- 139.

(5) Comm. Phys. Lab. (1913)~ ThO ta4 d.

Phys. Lab. Leiden, (1929), n- 20f d.

(13)

tives aux diverses concentrations sont sensiblement parallèles entre-elles ; la constante de Curie me parait donc indépendante de la densité comme dans les expériences de Perrier- et Kamerlingh Onnes.

Fig. 9.

Les mesures ne permettent pas de calculer exactement cette constante; le coude se déplace en effet vers les températures élevées, lorsque la densité diminue. Aux très faibles densités la première droite, celle qui correspond aux températures les plus basses, se pro

longerait vraisemblablement jusqu’à la température ordinaire et c’est sans doute à elle que se rapporte le nombre de Weiss, Piccard et Bauer. Aux fortes densités, à température ordinaire, l’oxygène étudié par Woltjer, Coppoolse et Wiersma se trouvait dans un autre- état magnétique et l’extrapolation vers la valeur de Weiss, Piccard et Bauer ne paraît pas

légitime.

Mais si l’on admet que la première portion de droite correspond à 10 magnétons, OH1

trouve 9,5 pour la deuxième comme si dans l’un des deux atomes composant la molécule,

le moment avait passé de 10 à 9 magnétons.

Les constantes 0 relatives à la première droite peuvent être déterminées à 1 ou 2 degré près par extrapolation. On trouve ainsi

"

(14)

A part la valeur 19° qui correspond au gaz de densité 0,428 ces nombres se placent

bien sur la droite qui représente les observations de Perrier et Kamerlingh Onnes (fig. 10).

L’hypothèse de l’existence d’un coude rétablit donc bien l’accord entre les divers résultats

Fig. 10..

obtenus. Il parait cependant subsister une divergence avec les expériences de Kamerlingh

Onnes et Oosterhuis relatives à l’oxygène gazeux de densité 0,15. Ces mesures montrent

en effet que la loi de Weiss s’applique dans tout l’intervalle de température, sans coude.

Cette divergence tient probablement à un déplacement du coude jusque au-dessus de la

température ordinaire dans cette dernière série d’observations. Des décalages de ce genre sont très fréquen tR.

Dans les mélanges d’azote et d’oxygène de Perrier et Kamerlingh Onnes, étudiés entre 64~ et 800K, la température du coude n’a pas été atteinte. Elle est en effet encore voisine de 190?K dans l’oxygène gazeux à la densité la plus forte (0,43) ; elle baisse lentement

lorsque la densité augmente.

En résumé, admettre l’existence d’un coude permet d’interpréter de façon simple les particularités observées dans l’oxygène par Woltjer, Coppoolse et Wiersma; on les rattache

en effet à des phénomènes bien connus et assez fréquents, et les contradictions de ces

résultats avec les expériences antérieures disparaissent.

Action du champ magnétique. - C’est seulement dans le cas du platine que l’on a cherché si les variations discontinues du moment sont influencées par le champ magné- tique agissant sur la substance au cours des mesures.

L’expérience C) a montré qu’il en est bien ainsi : lorsque l’intensité du champ augmente le nombre des droites diminue et le moment varie dans des limites plus res-

treintes.

~1~ PAULE COLLET et G. FoEx, C. R., 192 (193i , p. 1213.

-

(15)

Ainsi un échantillou de platine a donne les résultai suivants :

Chacun des nombres de magnétons correspond à une portion de droite.

Les changements de moment dus au champ sont réversibles, tout au moins tant que l’intensité ne dépasse pas 14 000 gauss. Ils se rapprochent par là des changements dus à la température seule.

Un autre échantillon de platine possédant 8 magnétons depuis 1800 jusque £?10° C.

conserve le même moment dans des limites étendues de champ.

Il résulte de l’ensemble des mesures que lorsque le champ devient de plus en plus intense, le moment de n’importe quel échantillon paraît tendre vers cette valeur limite

égale à 8 magnétons.

Il est désirable que l’action du champ sur l’état magnétique soit étudiée avec d’autres échantillons, de platine et surtout avec d’autres substances. Cela permettrait de voir si cette action existe de façon générale et si son sens est toujours le même. Il ne paraît pas irnpos- possible que certaines divergences assez notables entre les résultats trouvés par différents auteurs lui soient dues : par exemple la différence déjà signalée des états magnétiques ren-

contrés chez le ferricyanure de potassium par Paule Collet et Birch d’une part (13 et

12 magnétons) et Welo d’autre part (12 et 11).

Caractères des variations du moment dues aux variations de la tempéra-

ture. - I. La variation est en général réversible.

II. Le changement se produit sans entraîner la moindre discontinuité du coefficient d’aimantation. Ce caractère paraît important au point de vue de l’interprétation des phénomènes.

Les changements de structure, comme la transformation fer, provoquent au contraire une variation discontinue du coefficient d’aimantation.

III. Cette absence de discontinuité entraîne nécessairement un,e variation de b corréla- tive à celle du moment.

C’est là une évidence géométrique qui se dégage de l’examen d’une droite coudée, par

exemple celle de la figure o.

Cette propriété est importante parce qu’elle met en évidence une liaison entre le méca- nisme producteur du moment et celui qui règle les valeurs de 6.

-

Cette liaison ne fonctionne d’ailleurs que dans un sens puisque 0 peut varier dans de larges limites sans que le moment change (voir p. 354). Par exemple pour V20’2CII +

b peut passer de

--

~9° à

-

450, le moment restant égal à 8 magnétons (1).

On observe parfois que la température à laquelle se produit le passage de la première

droite à la deuxième, varie d’une expérience à l’autre, les constantes de Curie restant inal- térées. Il se produit alors un décalage parallèle de l’une des droites, parfois des deux ; ceci

révèle l’un des aspects des variations de 0 qui consiste, en un simple déplacement du point

d’intersection des deux droites de pentes déterminées. Ces décalages éveillent l’idée d’un facteur accidentel qui amorce la modification du moment lorsque la température varie.

Cette modification, déclenchée presque de manière fortuite s’étend très vite à toute la

(1) PERRAKIs. J. de l’trys., 6e S., 8 (lH2i). p. -Í ï3,

(16)

substance, mais la température du début est loin d’avoir la fixité d’un point de traiisfor- mation.

V. Pour plusieurs des substances énumérées plus haut, les points expérimentaux se placent exactement sur les droites jusqu’à leur intersection ; il ~- a même parfois un point

au-delà du coude, sur le prolongement de l’une des droites, ce qui paraît correspondre à un

état de faux équilibre.

Ces caractères montrent que la variation du moments est discontinue et se produit en

même temps dans tout l’échantillon. Ceci luet en évidence une remarquable tendance à

l’uniformisation de l’état magnétique dans toute de la substance. La matière, étudiée

se trouve souvent sous forme de poudre plus ou moins fine et cependant, malgré les petites

différences de température inévitables, tous les grains de la poudre se transforinent en

même temps, ou restent en même temps en état de faux équilibre.

VI. La variation du moment ne se produit pas toujours dans le même sens à tempéra-

ture croissante. Pour certaines substances il y a augmentation du moment; parmi les para-

magnétiques cités plus haut c’est le cas pour le praséodyme (passage de 13 à 15), le néodyme (17 à 22), le platine aux températures élevées (8 à 9), le ferrite de magnésie, le

chlorure de nickel (16 à 17), une solution de sulfate ferreux ammoniacal (?fi,5 à 28,3), une

solution de chlorure cuivrique (9 à 10). Il y a au contraire diminution du moment, à tem- pérature croissante, pour le fer (21 à I’l,5), le platine aux basses températures, l’alun ammoniaco-ferrique (l10 à 27), le complexe de fer et pyrocatéchine étudié par Welo

(26,5 à 23,5), le ferricyanure de potassium (13 à 12), l’oxygène (10 à 9,5).

Conclusions. - En résumé presque tous les paramagnétiques suivent la loi de Weiss, varie linéairement en fonction de t. Cette loi s’applique souvent dans des intervalles de température très étendus, ce qui permet d’affirmer sa grande rigueur ; elle souffre très

peu d’exceptions.

Dans beaucoup de cas l’expérience fournit des droites coudées raccordées soit à angle vif, soit par un petit arc de courbe; on ne peut invoquer, pour interpréter l’ensemble des deux droites, une courbe continue à faible courbure puisque justementle caractèreessentiel

~t fondamental de la variation de est d’être rectiligne.

La position du coude, pour deux droites de pentes données, a d’ailleurs quelque chose

de fortuit et ce caractère accidentel élimine précisément de manière certaine la possibilité

de remplacer l’ensemble des deux droites par une courbe unique.

,

Enfin la substitution parfois observée d’une droite unique à l’ensemble de deux autres, l’échantillon restant le même, (sulfate de nickel à 7H20, p. 360) en accentuant encore le caractère discontinu et accidentel des phénomènes, fournit un nouvel argument dans le

même sens.

B. Variétés magnétiques.

Les changements du moment atomique examinées jusqu’ici peuvent être attribués à des variations de la température : le coude sépare deux domaines dans lesquels l’état magné- tique est différent. Mais il n’en est pas toujours ainsi.

Très souvent on observe, pour un élément ou un ion déterminé, plusieurs valeurs dis- tinctes du moment à l’intérieur d’un même domaine de températures. On trouve ces diverses

.

valeurs en utilisant des échantillons de provenances différentes ou un même échantillon

ayant subi des traitement-s différents.

Dans la plupart des cas le moment est le même dans toute l’étendue de l’échantillon : il n’y pas mélange d’atomes se trouvant dans des états différents.

Chaque état magnétique, caractérisé par une valeur du moment et de la constante 6,

~~e maintient de façon durable à une température déterminée, la température ordinaire par

exemple. Dans bien des cas on ne sait pas faire passer la substance de l’un des états à. l’autre.

Nous dirons que ces échantillons, de propriétés différentes, constituent des variétés inagné-

tiques distinctes.

(17)

Elles correspondent vraisemblablement à des répartitions ou à des quantifications

différentes des électrons dans les couches extérieures. Peut-être faut-il voir là une certaine

analogie avec les états spectraux d’un atome.

Ion ferreux.

-

Les solutions aqueuses de sulfate ferreux ammoniacal ont fourni le

premier exemple bien établi de variétés magnétiques distinctes (1). Préparées à l’abri de

l’air et enfermées pour les mesures dans des récipients en verre scellés, ces solutions conte-

naient des corps étrangers en quantités minimes, ajoutés dans le but de rechercher leur action. Les mesures, toujours faites dans les mêmes conditions de champ et de température,

y

ont donné les résultats suivants :

Dans ces solutions l’ion Fe" peut donc exister :

,

Avec 26 magnétons et un 6 positif;

Avec 26,5’et un 0 voisin de zéro ;

Avec des moments plus élevés et un 6 négatif, croissant en valeur absolue avec le moment.

Les mesures, interrompues en 1914, n’ont pas permis de reconnaitre si les variations du moment sont bien dues à l’adjonction des impuretés ; l’exemple des solutions 2 et 3

qui, sans matière étrangère, sont dans des états différents semble prouver le contraire.

Pour le même sel (sulfate ferreux ammoniacal), cristallisé avec 6 molécules d’eau,

deux variétés magnétiques ont été signalées (2). L’une possède 26 magnétons (3) avec 6= 22°

et une anomalie cryomagnétique marquée, l’autre 27,5 magnétons, 8 = - 31 et pas d’anolnalie (~).

Il est remarquable que ce sel, qui possède une composition chimique et une forme

cristalline parfaitement définies (sel de Mohr), présente deux variétés distinctes. Les raisons qui favorisent la stabilité de l’une ou de l’autre n’ont pas été élucidées.

Ion nickeleux. - Des mesures à diverses températures ont été effectuées sur plusieurs

solutions de chlorure et d’azotate de nickel.

Les unes ont donné 16 magnétons avec 6 === 0 quelle que soit la concentration (j) ; les

autres 17 magnétons et 8 = - 20~ environ (6). La raison de l’apparition de l’un ou l’autre

(1) Anii. de Phys., 9a s., 16, 1921, p. u. Les mesures datent de 199~.

(’-’) G. FOEX. Soc. Franc. de Phys., Résumés des comrnunications (1923), p. 243 S.

(3~ Mesures de G. FOEX, loc. cit.

(4) Observations dues à Kamerlingh Onnes et Oosterhuis et à Jackson. Voir JACKSON, loc. cit..

(5) P. WEISS et Mlle BRUINS. K. Akad. Wet., Amsterdam, 24 (1915), p. 310 ; CABRERA et DUPÉRIER. J. de l’hys.. VI, 6 (i J25 ~, p. 121 ; G. loc. cit.

«;) G. FOEX et B. KESSLBR, C. 192 (1931), p. 1638.

(18)

moment n’a pas encore été entièrement éclaircie. On sait seulement que les solutions du chlorure à 17 magnétons, chauffées au-dessus de 100° évoluent et tendent progressivement

vers l’état à 16, qu’elles atteignent au bout d’un temps suffisant.

Beaucoup d’autres solutions de sels de nickel ont été étudiées à la température ordi-

naire seulement. En admettant qu’elles suivent la loi de Curie on trouve pour le moment

ionique 16 magnétons à toutes les concentrations.

Dans les sels cristallisés l’état du nickel est souvent le même qu’en solution. Le sulfate ammoniacal (1), le sulfate à 7 molécules d’eau (2) suivent à peu de chose près la loi de Curie

avec 16 magnétons. Le chlorure anhydre, aux températures peu élevées, aussi bien dans les mesures de Théodoridès que dans celles de Honda et Ishi,vara, s’est présenté avec

16 magnétons.

Ce moment, égal à 16, est donc celui que l’oiirencontre le plus souvent chez l’ion Ni".

Mais on connaît deux autres variétés : Il le sulfate anhydre possède magnétons, d’après

Jackson et Ishiwara. Le chlorure anhydre peut présenter un coude et prendre i7 magnétons

au-dessus de 150, (3).

Le sulfate à 7H20 étudié par Jackson se trouvait dans un état magnétique très particu- lier, tout différent de l’état habituel à 16 magnétons et à champ moléculaire nul. Cet état a

été décrit à la p. 360; les résultats expérimentaux qui le concernent sont représentés par les

,figures 7 (sel pulvérisé) et 8 (cristal orienté). Le moment était égal à 14,5 magnétons au-

dessus du coude avec un 0 positif voisin de 60° ; à 19,5 magnétons au-dessous.

Plusieurs séries de mesures effectuées sur des sulfates de nickel à 7H’O de provenances différentes ou ayant subi des traitements différents m’ont toujours mis en présence de l’état

à 16 avec un 0 faible. L’échantillon même qui avait servi à Jackson, et se trouvait alors dans l’état anormal, m’a donné, comme les autres, i6 magnétons entre la température ordinaire

et l’air l’iquide.

La variété magnétique exceptionnelle observée par Jackson n’était évidemment pas due a des impuretés puisque le même échantillon est revenu spontanément à l’état

normal.

On ne sait pas actuellement à quelles circonstances (basses températures, champ magnétique intense, etc.) attribuer son apparition.

Ion cobalteux. - On a signalé, déjà en i9ii, deux valeurs du coefficient d’aimanta- tion du sulfate de cobalt à 7H20, trop différentes pour que leur écart put être attribué à des

erreurs d’expérience.

Cet écart était resté inexpliqué.

Plus récemment des mesures faites par Trümpler (6), à la température ordinaire seule- ment, sur des solutions aqueuses de différents sels cobalteux, ont fait connaître deux états

magnétiques nettement distincts de l’ion Co".

Les moments indiqués ci-dessous ont été calculés en admettant la loi de Curie. Dans l’une des séries de Trümpler et dans les mesures de Cabrera (1) l’ion Co" S’est présenté avec un

moment variable en fonction de la concentration, entre 24 et 25 magnétons, comme le montre

la figure 1.

D’autre part, Trümpler dans sa deuxième série de mesures et Ml1p. Brant (g) on

(1) JACKSON, loc. cit..

(2) Kamerlingh Onnes et Hof, cités par Jackson, loc. cit.

(3) Théodoridès, loc. cit.

(4) Ann. Chim. Phys., 8e s., 7 (1906).

(5) J. Phys., 5e s., 1 (19.li), p. 27~ et 744.

(6) Thèse, Zurich (1911).

(7) Cabrera, Jimeno et Marquina. Anales Soc. Espan. de Fis. y Quim. B. 14 (1916), p. 357.

(8) Phys. Rev., i7 (49i4), p. 678.

(19)

trouvé un moment rigoureusement indépendant de la concentration et égal à 24,5.

Chàtillon a obtenu à nouveau, avec le sulfate, le moment variable et le moment constant

mais sans pouvoir passer à volonté de l’un à l’autre.

Fig. 11.

Ces résultats sont particulièrement significatifs à cause de l’appui mutuel que se prêtent

les observations concordantes des différents auteurs. Ils mettent bien en lumière l’un de

aspects actuels de ces phénomènes : on constate l’apparition de telle ou telle variété magné- tique, nettement caractérisée, mais on ne peut en général pas la faire apparaître ou dispa-

raître à volonté.

Pour quelques solutions aqueuses de sels de cobalt on a obtenu des données plus com- plètes en mesurant le coefficient d’aimantation à diverses températures.

1

Dans toutes ces séries de solutions, sauf une, c’est donc la même variété de l’ion Ca-

qui s’est présentée, caractérisée par 25 magnétons et 0

! -

129 à toutes les concen-

trations.

Cette variété est probablement celle qui, dans les mesures faites à la température ordi-

naire seulement, semble donner un moment indépendant de la concentration et égal à 24,5.

En effet ce dernier nombre a été calculé en admettant arbitrairement 9 = 0. Comme en

réalité 6 ..- - 12 il faut, pour avoir le moment multiplier la valeur 24,5 par le facteur Dans les mesures de Chàtillon T = 289e en moyenne. On a donc pour le moment :

Dans les mesures à plusieurs températures on n’a jamais rencontré de moment dépen-

dant de la dilution. On ne sait pas si les résultats obtenus par Cabrera et Trmnpler (moment

(20)

variable) sont dus u un mélange en proportions variables ou à une espèce unique dont le~

point de Curie serait fonction de la concentration.

Pour le sulfate et le chlorure anhydres, Théodoridès a observé avec beaucoup de sûreté

la variété à 2?j .

Plusieurs sulfates et sulfates doubles étudiés par Jackson se trouvaient dans le même état. Le moment 25 paraît donc être le moment dominant.

Des expériences récentes, entreprises spécialement par NIlle Serres et par Chatillon (1)

pour étudier l’ion cobalt, ont permis de découvrir de nouveaux moments et, ce qui est plus important, un certain nombre de procédés pour passer régulièrement de l’un à l’autre. Ces

expériences sont très précises ; l’incertitude sur les moments n’atteint pas 0,05 magné-

tons.

Inffuence du réseau cristallin. - Le sulfate de cobalt anhydre, obtenu en déshy-

dratant vers 4000 le sel à 7 molécules d’eau, possède 25 magnétons comme l’hydrate.

Hocart a étudié la structure de ce composé à l’aide des rayons X, par la méthode des

poudres, et a montré qu’il est cristallisé.

Le même sulfate, calciné à une température supérieure à 5001, possède 26 magnétons

avec 0 =- i3o. Le spectre de rayons X montre que structure n’est pas la même que dans le cas précédent : le réseau et l’état magnétique changent en même temps.

Par dissolution dans le sulfate d’ammonium et sublimation du solvant on obtient un

sulfate anhydre octaédrique dont le moment et la structure sont identiques à ceux du pro- duit précédent.

Enfin par cristallisation dans l’acide sulfurique on prépare un sulfate hexagonal dont

le moment, mesuré à diverses reprises avec précision, est égal à 25,66 magnétons.

Il y a donc parallélisme complet entre les changements de structure et les variation du moment.

Dissolution. - Le sel anhydre à 26, lorsqu’on le dissout dans l’eau, conserve pen- dant un certain telnps ses propriétés magnétiques :

Mais au bout d’un temps suffisant l’état magnétique change. Ainsi la première solutions,’

étudiée à nouveau neuf mois après sa préparation, a donné 25 magnétons avec fi ‘ -

Le chlorure de nickel donne des résultats analogues. Une variété de chlorure à 6 H20

possédant 17 magnétons, dissoute dans l’eau, fournit des solutions dont le moment est égal

à ~7 indépendamment de la concentration.

Mais un chauffage à 100" au moins déclanche une évolution dont le terme final est l’état habituel à 16 magnétons.

Dans deux cas la dissolution est d’abord sans influence sur i’état magnétique, mais

elle favorise le retour du moment à la valeur dominante.

Dissolution dans des liquides organiques. - Le chlorure de cobalt anhydre a été

observé avec 25 magnétons et -6 - + 47~ (2). Partiellement déshydraté ce sel donne encore

25 magnétons En solution dans l’alcool amylique et l’alcool éthylique le

chlorure anhydre prend les états magnétiques suivants (3).

,

e) Mile SERRES C. R. et Thèse, Strasbourg (1931). CHATILLON ’l’hèse, Strasbourg (1921), voir aussi P. ’VEISS.

J. de s.,1 (1930), p. ’1.

(2 ) Théodoridès, loe. cit.

(J) Chatillon, loc. cil.

(21)

La nouvelle variété à 23, qui apparaît dans les solutions alcooliques, possède encore

un 6 positif, au moins dans l’alcool éthylique ; c’est le cas pour beaucoup de chlorures

anhydres solides.

Cristallisation.

-

Lorsque l’on fait cristalliser une solution de sulfate de cobalt à 26 magnétons, obtenue comme il a été dit plus haut, on obtient la variété à 25 magnétons,

Il en est de même en dissolvant le sulfate à 25,66 magnétons et en faisant cristalliser la solution obtenue. Ceci met en évidence à nouveau (voir p. 371) l’influence importante

exercée par la structure sur l’état magnétique : le retour à une forme cristalline donnée ramène toujours le moment à la même valeur.

Les solutions alcooliques de chlorure de cobalt possèdent 23 magnétons; en les faisant cristalliser on obtient une variété anhydre à 26 magnétons. Le chlorure anhydre obtenu

par déshydratation du sel à 6 H20 possède au contraire 25 magnétons.

Ces exemples montrent que la cristallisation est un procédé très efficace pour modifier l’état magnétique. Tl y a là un vaste champ de recherches qui a été à peine exploré.

Influence des atomes voisins.

-

Il arrive qu’un ion déterminé se présente avec

des moments différents lorsqu’il fait partie de deux cristaux isomorphes bien définis, mais

de compositions différentes. C’est le cas pour le cobalt dans la série de ses sulfates doubles

monocliniques à 6 molécules d’eau (1) :

On peut attribuer la variation du moment soit à une cause accidentelle inconnue, soit

au changement progressif de la distance entre atomes (paramètres du réseau), soit à une

action des éléments voisins, variable avec leur nature. Dans cette dernière hypothèse, les

états à 25 et à 26 seraient tous deux stables en présence du potassium.

Les cas des ferrites (2) montre que le paramètre du réseau n’est sûrement pas le seul facteur en cause. En effet, dans ces composés qui sont isomorphes (strueture du spinelle),

l’ion Fe" possède des moments très différents de l’un à l’autre et les variations de son état

magnétique ne suivent pas du tout celles du paramètre.

Les ferrites de magnésium, de plomb, de cuivre ont un point de Curie situé au-dessus de ~00° K et un moment inférieur à 8 magnétons. Dans le ferrite de cadmium, l’ion Fe~

peut prendre f2 magnétons avec un 6 inférieur à 300, K; dans le ferrite de zinc le moment est égal à 24,5 et le point de Curie voisin du zéro absolu.

Le paramètre du réseau, qui est cubique, possède les valeurs suivantes :

(1) :Mesures dues à Jackson et à Kamerlingh Onnes et Jackson. Les nombres de magnétons donnés

ci-dessus sont arrondis à 25 ou 26. j

(2) A. SERRIS. Thèse, Strasbourg 1931.

(22)

Celui du ferrite de zinc est intermédiaire entre les deux autres. Il semble donc bien que l’état magnétique particulier du fer dans le ferrite de zinc soit déterminé non pas par le paramètre, mais par la nature même des voisins. D’ailleurs le cas du ferrite de magnésie, qui a donné deux portions de droites dans une série de mesures, et trois différentes de.s

premières dans une autre (échantillon différent), montre que d’autres facteurs jouent un

rôle dans l’apparition de tel ou tel moment.

Fusion aqueuse. - Welo (’) a montré récemment que pour plusieurs sels hydratés la constante de Curie et 0 subissent des variations notables au moment de la fusion.

Le tableau suivant reproduit les résultats de Welo, en donnant toutefois les moments

au lieu des constantes de Curie figurant dans le mémoire original.

Pour le nitrate d’erbium il n’y a aucun changement ; chez tous les autres sels le moment est plus élevé et 0 plus petit dans le solide que dans le liquide.

Les intervalles de température étant peu étendus, les moments sont déterminés avec

peu de précision; il serait nécessaire de reprendre les mesures pour savoir si la variation du moment correspond à un nombre entier de magnétons.

Platine métallique. - Des mesures anciennes donnant les unes (2) 8 magnétons de

~0° à ~~0°, les autres (3) magnétons de

-

260° à 20° faisaient prévoir F existence d’au moins deux variétés de platine. Pour les retrouver et préciser leurs conditions de stabilité,

une étude systématique a été récemment entreprise (*) portant sur plusieurs échantillons sou-

mis à des champs divers, dans de grands intervalles de température.

Tous ces échantillons présentent de sérieuses garanties de pureté En porticuiipr, ftf1.1X températures supérieures à 50, et dans des champs dépassant 7 000 gauss ils possèdent

tous le même moment égal à 8 magnétons. Pour aucun d’eux il n’y a diminution du coeffi- cient d’aimantation lorsque le champ varie de 3 000 à 6 000 gauss, ce qui exclut les impu-

retés ferromagnétiques.

Aux basses températures, les mesures très précises ont donné les résultats suivantes dans un champ voisine de 7 000 gauss (fig. 12).

(1) l’Vature, London, i24 (1929). p. 5iJ.

(9) G. FoEY, loe. cit.; Kopp, Thèse, Zurich (1919). Voir aussi ce mémoire, p. 3Jâ.

e) KAMERLlNGH ONNES et OOSTERHUIS. Comm Phys. Lab., Leiden(1913), 132.

(4) Paule COLLET et G. FoEB. C. R.,’192 (~930, p. 930.

-

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