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顺磁性

/paramagnetism/
条目作者戴道生

戴道生

最后更新 2023-04-06
浏览 290
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物质的固有磁矩通常处于磁无序结构,在外磁场作用下沿磁场方向呈现出一定的磁矩分量的性质。

英文名称
paramagnetism
所属学科
物理学

物质的顺磁性属于磁无序结构。从原子结构的角度,这类物质中的原子、离子或者分子具有固有磁矩,但这些磁矩之间没有交换作用,或者其交换作用能量与热扰动能量相比可以忽略,因此在热运动支配下,各个磁矩在空间的取向既不固定也不相关,整体上呈现为空间无规排列,不能形成自发的磁有序结构。只有在外界磁场作用下,按照统计分布,沿磁场方向有一定的磁矩分量。顺磁性材料包括过渡族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(如一氧化氮、氧气)等。

在外磁场中,顺磁性物质的磁化强度的方向与磁场强度相同,磁化率为正值,数值为10−6~10−3量级。顺磁磁化率与温度、外磁场强度的依赖关系可用朗之万函数或者布里渊函数描述;在高温近似下,磁化率为仅依赖于温度的常数,即符合居里定律:。其中,为居里常数。在实际中,通常以磁化率与温度之间的关系是否满足居里定律作为顺磁性的判据,由居里常数可测定原子的有效磁矩,即,其中为玻耳兹曼常数,为单位体积内的磁性原子(或分子)数。

一些材料中的磁矩之间虽有交换作用,如铁磁和亚铁磁材料,但在温度高于居里温度的情况下,其磁化率随温度的变化遵从居里-外斯定律:。其中称为材料的顺磁居里温度,对于铁磁性交换作用,其值为正();对于反铁磁性交换作用,其值为负()。

一些材料(如碱金属)虽然不具有自发磁化,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,从而具有较弱的顺磁性。范弗莱克的量子理论指出,这是由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。

金属中自由电子也会感生顺磁性,称为泡利顺磁性。用金属电子论可计算出泡利顺磁性的磁化率为为费米能级。因此一般泡利顺磁性与温度无关,在温度很高的情况下,它随增大而降低。

在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,式中为电子关联作用能,为费米面态密度,因而不具备自发磁化,但顺磁性磁化率较大一些,称为交换增强顺磁性。

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,一般不计及原子核的顺磁性。

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