Протягом останніх кількох століть багато вчених сприймали як належне, що магнетизм Землі пов’язаний з намагнічуванням порід, що її складають. Приводів для такого припущення було чимало: спочатку часто знаходили намагнічене каміння; потім з’ясувалося, що на Землі є цілі гори, гірські породи яких добре намагнічуються; згодом визначилися й великі за площею райони, де спостерігалися різкі зміни інтенсивності геомагнітного поля, й у них знаходили залізні руди. Все це, здавалося, підтверджувало, що магнітне поле Землі викликане намагнічуванням її феромагнітних речовин.

Тепер ця думка не може сприйматися наукою як істина. Вирішальну роль у цьому відіграли успіхи в галузі фізики, зокрема ті з них, які належать до вивчення світу елементарних частинок. Завдяки їм вдалося зрозуміти природу феромагнетизму та запропонувати обґрунтовані припущення про можливість намагнічування гірських порід у надрах Землі.

Природа феромагнетизму, як тепер зрозуміло, безпосередньо визначається властивостями елементарних частинок, що утворюють атоми всіх речовин. Вивчення цих частинок і їх взаємодії призвело до парадоксального висновку, з точки зору класичної електродинаміки, що діє в макросвіті: майже всі мікрочастинки – навіть ті, що не мають електричного заряду, наприклад нейтрони, – мають магнітний момент. Він породжується моментом кількості руху частинки, який одержав особливу назву – спін (рис. 1). Насамперед увагу було зосереджено на спін електрона, оскільки врахування такої особливості електронів атома дав можливість пояснити чимало незрозумілих раніше явищ мікросвіту.

Припущення про існування спіна у зовнішніх електронів атома вперше сформулювали в 1925 р. молоді нідерландські вчені Джордж Уленбек (рис. 2) і Самуел Гоудсміт (рис. 3), які згодом стали відомими фізиками-теоретиками. Заради справедливості варто зауважити, що ще в 1921 р. американський фізик Артур Комптон висунув гіпотезу про наявність у електронів спіна. Однак ця найважливіша думка не отримала тоді підтримки вчених. Ідею про те, що електрон повинен мати спін, висловив за вісім місяців до визнаних його першовідкривачів і студент Колумбійського університету двадцятирічний Ральф Кронінг, який став найстаршим і найавторитетнішим членом Нідерландської академії наук. Припущення юного тоді фізика було визнано «маячнею» і відкинуто маститими вченими.

Як видно, історія відкриття електронного спіна чудово ілюструє відому тезу: «Революційні ідеї в науці гасають у повітрі».

Спочатку вважалося, що спін пов’язаний із обертальним рухом електрона навколо своєї осі. Але надалі стало очевидним, що припущення про такий рух цієї частинки зовсім не відповідає дійсності. Повноцінно досі не вдалося придумати якихось очевидних асоціацій, які б допомогли ясно уявити образ руху, що народжує спін. Але за традицією для «наочності» він співвідноситься з рухом мікроскопічної дзиги, яка має два цілком конкретних моментів – механічного і магнітного.

За правилами квантової механіки електрони-дзиги певним чином розміщуються на оболонках атомів. Причому природа, дотримуючись цих правил, спарює електронні дзиги в переважній більшості випадків так, щоб їхні моменти були спрямовані протилежно. Тому сумарний магнітний момент електронів, що займають оболонки атомів, виявляється рівним нулю. Відповідно до такої «конструкції» багатьох атомів хімічних елементів останні не можуть бути намагнічені. Але є хімічні елементи, атоми яких влаштовані «дещо» інакше: «конструкція» включає електрони з неспареними спінами. Тому сумарний магнітний момент не рівний нулю, і це дозволяє намагнічувати атоми таких хімічних елементів в зовнішньому магнітному полі. Речовини, що включають атоми таких елементів, належать до парамагнетиків, а речовини, що містять атоми елементів з нульовим магнітним моментом, – до діамагнетиків. Однак у багатьох випадках при з’єднанні двох або декількох атомів, що мають магнітний момент, в молекули останні виявляються позбавленими цього моменту, тобто діамагнітними.

Існує ще один клас речовин, що отримав назву феромагнетиків (рис. 4). До нього належать атоми хімічних елементів: заліза, кобальту, нікелю та ще шести елементів рідкісноземельної групи періодичної таблиці Менделєєва – гадоліній, тербій, диспрозій, гольмій, ербій і тулій.

Названі елементи, як і хімічні елементи парамагнетиків, мають неспарені спіни, але, крім того, у феромагнетиках проявляється ще так звана обмінна взаємодія між спінами атомів. Завдяки цій взаємодії відбувається впорядкування спінів, і вони вишиковуються в окремих областях феромагнетика – доменах – паралельно та односпрямовано. Розміри доменів дуже невеликі, але вчені знайшли напрочуд витончений метод виділення їх меж, і області намагнічування феромагнетиків.

Згадане впорядкування спінів доменів призводить до мимовільного намагнічування кожного з них до насичення. Загалом ж будь-який феромагнетик не створює у зовнішньому просторі магнітне поле за відсутності поля, що намагнічує. І це тому, що у феромагнетику домени завжди розташовуються певним чином: магнітні моменти двох «сусідів» встановлюються назустріч один одному.

Картина різко змінюється, як тільки феромагнетик опиняється у магнітному полі. Спіни атомів «слухняно» орієнтуються цим полем, і феромагнетик набуває значного магнітного моменту. Але ось поле, що намагнічує, зняте. Чи повернуться спіни у початкове положення, при якому компенсуються магнітні поля, сформовані доменами з протилежно спрямованими магнітними моментами? Помістивши магніточутливий прилад поблизу феромагнетика, легко переконатися, що існує залишкове магнітне поле. А це означає, що домени продовжують орієнтуватися в напрямку зовнішнього магнітного поля, що діяло раніше, і така орієнтація може зберігатися протягом тривалого часу.

У цьому вся суть процесу намагнічування залізних предметів, відомого ще з далеких часів, коли, як вже згадувалося, з допомогою «особливого каменю» – природного магніту натирали сталеву голку, яка служила мореплавцям компасом.

Систематично процеси намагнічування почав вивчати Гілберт. Відмінно володіючи ковальським мистецтвом, він сам виготовляв чимало деталей своїх дослідних установок. І, працюючи у палаючого горна, намагався нагрівати намагнічений метал. Яке ж було його здивування, коли з’ясувалося, що при нагріванні сила магнітів зменшується, а у разі доведення їх металу до червоного розжарення вони втрачають свої магнітні властивості.

Вплив нагрівання на якість намагнічування вивчали після Гілберта й інші вчені-магнітологи. Але лише французький фізик П’єр Кюрі всебічно досліджував це явище і в 1895 р. встановив, що для кожного феромагнетика є певна критична температура, за якої зникає його залишковий магнетизм. На честь вченого цю температуру названо точкою Кюрі (рис. 5).

З позицій сучасної фізики погіршення магнітних властивостей феромагнетиків у міру підвищення температури – природний процес, оскільки тепловий рух призводить до знищення мимовільного намагнічування доменів через порушення однакової орієнтації в них спінів електронів атомів.

Варто зауважити, що при нагріванні феромагнетика до вищої температури (наприклад, заліза понад 1053 К) і подальшому його охолодженні навіть у дуже слабкому зовнішньому магнітному полі він набуває такого залишкового намагнічування, якого можна досягти при нормальній температурі лише в магнітному полі великої інтенсивності. Причина такого несподіваного ефекту в тому, що магнітна чутливість феромагнетика – це величина, що показує, наскільки змінюється його намагніченість при зміні на одиницю напруженості зовнішнього магнітного поля, – теоретично прямує до нескінченності в міру наближення до точки Кюрі.

Ефект різкого зростання магнітної чутливості феромагнетиків поблизу температури, що відповідає точці Кюрі, було відкрито ще наприкінці позаминулого століття відомим англійським фізиком Джоном Гопкінсоном, який працював у галузі електромагнетизму (рис. 6). Цей ефект отримав ім’я свого першовідкривача.

Ефект Гопкінсона сприяв граничному намагнічуванні гірських порід при їх формуванні, коли в надрах Землі панувала висока температура, близька до точки Кюрі. Ця обставина була одним із доказів правоти позиції магнітологів, які обстоювали «феромагнітну» гіпотезу походження магнітного поля Землі. Але ця ж точка була «вихідною» для тих магнітологів, які піддавали цю гіпотезу жорсткій критиці.

Справді, про яке намагнічування гірських порід на значній глибині в надрах Землі може йтися, якщо там і тепер, температура настільки висока, що виключає можливість прояву магнітних властивостей речовин? Ці властивості можуть виявлятися лише до глибин, як розрахували вчені, близько 35–40 км, не глибше, оскільки нижче за цей рівень температура перевищує точку Кюрі для відомих нам гірських порід. До того ж магнітні характеристики їх такі, що складений ними шар у кілька десятків кілометрів не може створити геомагнітне поле Землі.

Наведені міркування, а також низка інших, про які йтиметься далі, дали підставу більшості магнітологів відкинути «феромагнітну» гіпотезу.

На основі: Почтарев, В.И., Михлин, Б.З. (1986). Тайна намагниченной Земли. Москва : Педагогика, 112.