顺磁性(材料对磁场响应很弱的磁性)

----更新时间:2022-05-24

顺磁性(paramagnetism)是指材料对磁场响应很弱的磁性。如用磁化率k=M/H来表示(M和H分别为磁化强度和磁场强度),从这个关系来看,磁化率k是正的,即磁化强度的方向与磁场强度的相同,数值为10-6—10-3量级。

一些原子核(如1H,7Li,11B,13C,17O等以及中子)具有磁矩,在磁场作用下会产生顺磁性,但其顺磁磁化率比电子对顺磁性的贡献小得多,只有10-6—10-10量级。因而在讨论物质的顺磁性时,可不计及核的顺磁性。

简介

顺磁性(paramagnetism)是指材料对磁场响应很弱的磁性。如用磁化率k=M/H来表示(M和H分别为磁化强度和磁场强度),从这个关系来看,磁化率k是正的,即磁化强度的方向与磁场强度的相同,数值为10-6—10-3量级。

一些原子核(如1H,7Li,11B,13C,17O等以及中子)具有磁矩,在磁场作用下会产生顺磁性,但其顺磁磁化率比电子对顺磁性的贡献小得多,只有10-6—10-10量级。因而在讨论物质的顺磁性时,可不计及核的顺磁性。

理论诠释

从原子结构来看,组成顺磁性物体的原子、离子或分子具有未被电子填满的内壳层,这类材料的原子、离子或分子中存在固有磁矩,因其相互作用远小于热运动能,磁矩的取向无规,使材料不能形成自发磁化。在经典理论中,磁矩在磁场中可取任意方向。所有这些材料中的原子或离子在磁场作用下所产生的磁矩都很小。如许多过渡金属和稀土元素的绝缘化合物,有机化合物中的自由基,以及少数顺磁性气体(如NO,O2),在一般情况下磁化率随温度的变化遵从居里定律:κ=C/T,式中C称为居里常数,T为温度。

一些材料中的磁矩虽有交换作用,如铁磁和亚铁磁材料,但在高于居里温度情况下的磁化率随温度的变化遵从居里-外斯定率:κ=C/(T-TP)。式中TP称为材料的顺磁居里温度。对于铁磁性物质交换作用为正,TP>0;对于反铁磁性物质交换作用为负,TP<0。

一些材料(如碱金属)不具有自发磁化,外层电子之间不存在交换作用,但它们在磁场中会产生感生磁矩,而具有较弱的顺磁性。范弗莱克的量子理论指出,这是不对称原子或分子的电子云极化所致,并不随温度改变。这类性质称范弗莱克顺磁性。

在磁场作用下,正自旋和负自旋的传导电子具有不同的能量,这就导致在费米面附近有少量的传导电子自旋倒向,从而产生微弱的顺磁性效应。金属中自由电子会感生顺磁性,称之为泡利顺磁性。用简单的能带模型可计算出顺磁磁化率k=C/(T-TP)=3nμB2/EF,EF为费米能级。因此,一般情况下泡利顺磁性与温度无关,在温度很高情况,它随T2增大而降低。

一些过渡金属和稀土金属及其合金中,其巡游的磁性电子之间虽有一定的交换作用,但作用强度还未能达到斯托纳增强条件,即UN(EF)≯1,式中U为电子关联作用能,N(EF)为费米面态密度,因而不具备自发磁化,但顺磁性较大一些,称为交换增强顺磁性。

典型实例

典型的顺磁性气体是O2,常见的顺磁体有过渡金属的盐类、稀土金属的盐类及氧化物。温度高于磁转变温度时,序磁性(见铁磁性)物质也呈现为顺磁性,如室温情况下除钆(Gd)以外的稀土金属。

金属如锂(Li)、钠(Na)等,这些顺磁性金属的磁化率与温度无关,可以用量子力学解释。

技术应用

顺磁性有其重要的应用,从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以研究其结构,特别是电子组态结构;利用顺磁物质的绝热去磁效应可以获得约1—10-3K的超低温度;顺磁微波量子放大器是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器,促进了激光器的研究和发明,在生命科学中,如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性,同氧结合后转变为抗磁性,这两种弱磁性的相互转变反映了生物体内的氧化还原过程 ,其磁性研究成为生命现象的一种方法;目前医学上从核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术,可以显示生物体内顺磁物质(如血红蛋白和自由基等)的分布和变化,此外某些测氧仪利用了顺磁性的原理。

碱金属元素和除铁、钴、镍以外的过渡元素都具有顺磁性。