Парамагнетизм

Парамагнетики отличаются от диамагнетиков тем, что их магнитная восприимчивость является положительной, то есть они втягиваются во внешнее магнитное поле, а не выталкиваются из него. Однако абсолютные значения магнитной восприимчивости у них тоже весьма малы – порядка
10^-2 - 10^-5.

Природа парамагнетизма заключается в следующем. Если полный магнитный момент атома или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля отличен от нуля, то такой атом (или молекула) будет вести себя как элементарный постоянный магнит.

Полный магнитный момент атома складывается из орбитального и спинового моментов входящих в него электронов. Однако, в силу межатомного взаимодействия, магнитные орбитальные моменты двух спаренных электронов взаимно погашают друг друга. В результате все заполненные электронные оболочки имеют нулевой орбитальный магнитный момент и, следовательно, не могут внести вклад в парамагнитные свойства. Поэтому парамагнетизм обнаруживается только при наличии в атоме неспаренных валентных электронов − электронов проводимости.

Спиновые магнитные моменты атомов слабо зависят от влияния поля потенциальных сил связи в кристалле, и поэтому их вклад в магнитный момент атома в твердых телах весьма значителен.

График намагниченности М(Н) парамагнетиков (см. рис 8.2) расположен над осью абсцисс. Намагничивание пропорционально внешнему полю (Гиперссылка 8.2) в области малых значений этого поля.

Однако магнитная восприимчивость парамагнетиков изменяется в зависимости от температуры по закону Кюри:

, (8.4)

где С – постоянная Кюри (неизменная для каждого конкретного парамагнетика).

Следовательно, при повышении температуры χ будет уменьшаться. Это связано с ориентацией суммарного орбитального момента атомов вдоль поля, чему постоянно мешает тепловое движение структурных частиц решетки.

В сильном внешнем магнитном поле парамагнетик приобретает состояние магнитного насыщения. Кривая будет асимптотически приближаться к некоторому значению М_max (Рис. 8.3).

Рисунок 8.3. Зависимость намагниченности М от напряженности внешнего магнитного поля Н, отнесенного к температуре Т

Парамагнитными свойствами обладают:

- атомы и молекулы, имеющие нечетное число электронов. Например, щелочные металлы (Na, K и др.), Al, окись азота (NO);

- свободные органические радикалы, такие как трифенилметил. У этих веществ имеется нескомпенсированный спиновый магнитный момент;

- свободные атомы и ионы, имеющие недостроенные внутренние оболочки (элементы переходных групп, изоэлектронные ионы этих элементов, редкоземельные металлы и элементы группы актинидов). Примерами могут служить ионы Mn²⁺, Cr³⁺,Cd³⁺; U⁴⁺.

- некоторые молекулы с четным числом электронов (O₂, S₂). В них парамагнетизм вызван нескомпенсированностью спинов двух электронов;

- дефекты кристаллической решетки с нечетным числом электронов (F – центры, вакансии, бивакансии);

- металлы, поскольку они имеют электроны проводимости. Типичными представителями металлов-парамагнетиков являются Li (M = 2,5 10^-5), Ca (4,4 10^-5), Al (1,6 10^-5), Pt (1,9 10^-4), U (4,1 10^-4).