Парамагнетизм

(от пара (См. Пара...). И Магнетизм) свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать Магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. О., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности (См. Намагниченность) J. В этом отношении П. Противоположен Диамагнетизму, при котором возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внешнего магнитного поля Н. Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда название «П.»), а диамагнитные — отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также Ферромагнетики и Антиферромагнетики.

Однако в отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (См. Магнитная структура) (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при Н = 0 ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру. Термин «П.» ввёл в 1845 М. Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. Характерен для веществ, частицы которого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов) обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что J = 0. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля по закону J = χ Н, где χ — Магнитная восприимчивость 1 моля вещества, для парамагнетиков всегда положительная и обычно равная по порядку величины 10-5 — 10-3.

Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением температуры Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц и магнитная восприимчивость убывает — в простейшем случае по Кюри закону χ = С/Т (С — постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри (см. Кюри - Вейса закон) в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллического поля). П. Свойствен. Многим чистым элементам в металлическом состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, некоторые металлы переходных групп с незаполненным d-слоем или f-слоем электронной оболочки — группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов, актиноидов (См.

Актиноиды). А также сплавы этих металлов). Солям группы железа, группы редкоземельных элементов от Ce до Yb и актиноидов и их водным растворам. Парам щелочных металлов и молекулам газов (например, O2 и NO). Небольшому числу органических молекул («бирадикалам»). Ряду комплексных соединений (См. Комплексные соединения). Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние). Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих П. Веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный П.), со спиновым моментом самих электронов (спиновый П.), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный П.).

Магнитные моменты атомов, ионов, молекул создаются в основном спиновыми и орбитальными моментами их электронных оболочек. Они примерно в тысячу раз превосходят магнитные моменты атомных ядер (см. Магнетон). П. Металлов слагается в основном из П., свойственного электронам проводимости (так называемый парамагнетизм Паули), и П. Электронных оболочек атомов (ионов) кристаллической решётки металла. Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении температуры, П., обусловленный электронами проводимости, от температуры не зависит. Поэтому, например, щелочные и щёлочноземельные металлы, у которых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а П. Обусловлен исключительно электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры.

В тех веществах, у которых нет электронов проводимости и магнитным моментом обладает лишь ядро (например, у изотопа гелия 3He), П. Крайне мал (χПарамагнетизм10-9—10-12) и может наблюдаться лишь при сверхнизких температурах (Т < 0,1К). Парамагнитная восприимчивость диэлектриков (См. Диэлектрики), согласно классической теории П. Ланжевена (1906), определяется формулой χ = Nμa2/3kT, где N — число магнитных атомов в 1 моле вещества, μa — магнитный момент атома, к — Больцмана постоянная. Эта формула была получена методами статистической физики для системы практически не взаимодействующих атомов, находящихся в слабом магнитном поле или при высокой температуре (когда μаН > kT) намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к Nμa2(к насыщению).

Квантовая теория П., учитывающая Квантование пространственное момента μа (Л. Бриллюэн, 1926), даёт аналогичное выражение для восприимчивости (диэлектриков (при μaH .