Парамагнетизм

Парамагнети́зм

(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 (χ~10^-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 = Nμ_a²/3kT, где N — число магнитных атомов в 1 моле вещества, μ_a — 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 μ_аН << kT). Она даёт теоретическое объяснение Кюри закону. В сильных магнитных полях или при низких температурах μ_aH >> kT) намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к Nμ_a²(к насыщению). Квантовая теория П., учитывающая Квантование пространственное момента μ_а (Л. Бриллюэн, 1926), даёт аналогичное выражение для восприимчивости (диэлектриков (при μ_aH << kT): χ =NJ (J + 1)μ_а²g_j²/3кТ, где J — квантовое число (См. Квантовые числа), определяющее полный момент количества движения атома, gj — Ланде множитель. Парамагнитная восприимчивость полупроводников (См. Полупроводники) χ^п_э, обусловленная электронами проводимости, в простейшем случае зависит от температуры Т экспоненциально

χ^п_э=АТ^1/2 exp (—ΔE/2kT), где А — константа вещества, ΔЕ — ширина запрещенной зоны (См. Запрещённая зона) полупроводника. Особенности индивидуального строения полупроводников сильно искажают эту зависимость. В простейшем случае для металлов (См. Металлы) (без учёта Ландау диамагнетизма и взаимодействия электронов) χ^м_э = 3Nμ²_э/2E_o, где Eo — Ферми энергия, μэ — магнитный момент электрона (χ^м_э не зависит от температуры). Ядерный П. при отсутствии сильного взаимодействия между Спинами ядер и электронными оболочками атомов характеризуется величиной χ_я = Nμ²_я 3kT, которая приблизительно в 10⁶ раз меньше электронной парамагнитной восприимчивости (μ_э~10³ μ_я). Изучение П. различных веществ, а также электронного парамагнитного резонанса (См. Электронный парамагнитный резонанс) (резонансного поглощения парамагнетиками энергии электромагнитного поля) позволяет определять магнитные моменты отдельных атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение сложных молекул и молекулярных комплексов, а также осуществлять тонкий структурный анализ материалов, применяемых в технике. В физике парамагнитные вещества используют для получения сверхнизких температур (ниже 1 К, см. Магнитное охлаждение). Историю развития учения о П. см. в ст. Магнетизм.

Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973; его же, Магнетизм, М., 1971; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Абрагам А., Ядерный магнетизм. пер. с англ., М., 1963; Киттель Ч., Введение в физику твёрдого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1963; Физика магнитных диэлектриков, Л., 1974.

Я. Г. Дорфман.