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順磁性

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液態氧涓流被磁場偏轉,顯示出其順磁性。
液態氧涓流被磁場偏轉,顯示出其順磁性。

順磁性(Paramagnetism)指的是一種材料的磁性狀態。有些材料可以受到外部磁場的影響,產生跟外部磁場同樣方向的磁化向量的特性。這樣的物質具有正的磁化率。與順磁性相反的現象被稱為抗磁性

原理

沒有外部磁場時的順磁性物質的簡圖
沒有外部磁場時的順磁性物質的簡圖
在弱磁場中的順磁性物質的簡圖
在弱磁場中的順磁性物質的簡圖
在強磁場中的順磁性物質的簡圖
在強磁場中的順磁性物質的簡圖

順磁性物質可以被看作是由許多微小的磁棒組成的,這些磁棒可以旋轉,但是無法移動。這樣的物質受到外部磁場的影響後其磁棒主要順磁力線方向排列,但是這些磁棒互相之間不影響。熱振動不斷地使得磁棒的方向重新排列,因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。因此磁力線的強度越強順磁性物質內磁棒的排列性就越強。

以上模型當然只是一個簡化的模型。實際上順磁性物質內部並沒有小磁棒,而是微觀的磁矩。在順磁性物質中這些磁矩互相之間不影響。然而與鐵磁性不同的是在順磁性物質中外部磁場消失後物質內的磁場立刻就由於熱運動消失了。磁化向量磁場強度成正比

,

物質的磁化率越高,它就越容易被磁化。因此磁化率是衡量順磁性的強度的量。由於磁化率和相對磁導率之間有以下簡單關係磁導率往往也被看作是衡量順磁性的量。

假如磁矩之間有耦合的話,物質內就會產生磁性有序狀態,在這種情況下磁化率會非常複雜,因此這這樣的物質不再是順磁性的。總的來說這樣的物質的磁性有序狀態在一個閾溫度以上會被破壞,由於物質中依然有磁矩,因此在這個溫度以上這這樣的物質呈順磁性。

鐵磁性物質均擁有極大的磁化率,但是大的磁化率不一定就說明一個物質是鐵磁性的。

分類

從經典物理學出發物質的順磁性無法完全被解釋,只有從量子力學出發這個特徵才能被完全理解。對於磁學最重要的認識是一個原子狀態的總角動量總是與其磁矩相連的:

在這裏是電子自旋g因數,波耳磁元。原子的總角動量由以下三部分組成:

  1. 自旋
  2. 電子角量子數
  3. 核子的核自旋。

核自旋導致的磁矩非常弱,對磁化率基本上沒有多少作用,因此這個量一般不被顧及,不過這個量還是可以被測量得到的,醫學中使用的核磁共振成像就是測量這個量獲得的。

以下各個因素均對磁化率有重要的作用。在物質內也總是有抗磁性的因素存在,因此一個物質最終是否是順磁性要看所有因素的總和。但是原子在基態下的磁矩所提供的順磁性一般來說是最大的。假如一個物質的原子在基態下其磁矩呈順磁性,則一般這個物質是順磁性的。

原子基態下的磁矩

一個原子在基態下的總角動量可以通過洪德定則來理論確定。最重要的規則是一個完全飽和和除一個電子外半飽和的電子層的總角動量為零。在其它情況下原子擁有一個磁矩。

居禮定律描寫這個量與溫度之間的關係

居禮常數

自由電子的磁矩

金屬中電子實際上可以自由運動。理論上所有的電子都有其自己的磁矩,但是出於包立不相容原理只有可以自由運動的電子才能夠在將它們的磁矩指向磁場方向,這樣的電子的數量與成正比,其中費米溫度

精確的計算顯示它還隨外部磁場強度而變化。

原子受激態的磁矩

在受激態下即使在基態總角動量為零的原子也可能獲得角動量。由於在絕對零度以上物質中總是有基態以上的原子,因此在所有物質中均有一定的原子角動量。但是只有在分子晶體中這個量才會達到一定的大小。在有些物質中它甚至會強於基態的磁矩。要計算分子中的受激態的磁矩很困難。

超順磁性

有晶粒的鐵磁性的固體的磁性與其晶粒度有關。晶粒度越小,每個晶粒內的外磁域的數量就越少。晶粒度小於一個閾值後每個晶粒只有一個外磁域,因為這樣晶體內的能量最低。在這種情況一個晶粒內所有的原子的磁矩均指向同一方向。假如晶粒繼續縮小到一個閾值以下的話在絕對零度以上熱運動會破壞鐵磁性,一個晶粒中的所有原子無法將其總磁矩指向同一方向。整個固體呈順磁性,但是這個順磁性有一個特殊點:指向外部磁場的磁矩的數量與外部磁場的強度不呈正比,其數量塊狀增加。這個不尋常的順磁性被稱為超順磁性。

例子

鹼金屬

鹼金屬的電子層由惰性氣體電子層加上一個s電子組成。按照洪德定則它們在基態下有磁矩,這個磁矩提供很強的磁化率,因此鹼金屬是順磁性的。

鹼土金屬

鹼土金屬有兩個s電子,因此其電子層飽和,但是它們屬於金屬,因此擁有自由電子。除外其自由電子導致的順磁性強於抗磁性,因此它們均是弱順磁性物質。

稀土金屬

稀土金屬是製造磁鐵時最重要的合金物質,原因是稀土金屬不飽和的電子層不是最外部的電子層,而是內部的電子層(f層),因此它們對於原子的化學性能沒有影響。幾乎所有的稀土金屬是順磁性的,但是其磁化率不同。通過它們合金可以成為非常強的磁鐵。

分子

分子一般擁有飽和的電子層,而且不是金屬,因此它們一般只有很弱的、由於受激態導致的順磁性。一些順磁性的材料包括:

磁鐵礦

磁鐵礦Fe3O4)一般呈鐵磁性,但是顆粒小於20至30納米的磁鐵礦在室溫下呈超順磁性。在外部磁場的影響下其所有磁矩均順磁場方向排列。但是在外部磁場消失後熱運動足以使其粒子的磁化消失為零。

參見

  • 磁化曲線

參考文獻

外部連結

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