Парамагнетизм
-
Парамагнетизм
- Парамагнетизм — это форма магнетизма, при которой материалы слабо притягиваются внешним магнитным полем.
- Парамагнитные материалы обладают относительной магнитной проницаемостью, немного превышающей 1.
- Парамагнетизм обусловлен наличием неспаренных электронов.
- Парамагнитные материалы включают алюминий, кислород, титан и оксид железа.
-
Связь со спинами электронов
- Парамагнитные материалы имеют постоянные магнитные моменты даже в отсутствие внешнего поля.
- При приложении магнитного поля диполи стремятся выровняться с полем, что приводит к суммарному магнитному моменту.
- Парамагнитное поведение также наблюдается в ферромагнитных материалах при высоких температурах.
-
Делокализация
- В проводящих материалах электроны делокализованы, что приводит к парамагнетизму Паули.
- Более сильные формы магнетизма требуют локализованных электронов.
- s- и p-электроны обычно слабо парамагнитны или диамагнитны.
- d- и f-электроны могут иметь сильные магнитные моменты.
-
Молекулярная локализация
- Молекулярная структура также может приводить к локализации электронов.
- Пример: молекулярный кислород, который содержит двухрадикальные молекулы.
-
Теория
- Парамагнитный отклик обусловлен постоянными магнитными моментами ионов или пространственным движением электронов проводимости.
- Закон Кюри: восприимчивость парамагнитных материалов обратно пропорциональна их температуре.
-
Закон Кюри и насыщение намагниченности
- Закон Кюри справедлив при низкой намагниченности, но неприменим при высоком напряжении/низкой температуре.
- При насыщении намагниченности увеличение внешнего поля не приводит к увеличению общей намагниченности.
-
Парамагнитные ионы и постоянная Кюри
- Постоянная Кюри связана с магнитными моментами отдельных ионов.
- Для парамагнитного иона с угловым моментом J постоянная Кюри равна C = n3kBμeff2, где μeff = gJμB√J(J+1).
-
Классическая трактовка и полуклассическая статистика
- Классическая трактовка с молекулярными магнитными моментами дает выражение закона Кюри с μ вместо μeff.
- Полуклассическая статистика Больцмана описывает намагниченность вещества с невзаимодействующими магнитными моментами.
-
Зеемановское расщепление и намагниченность
- При приложении магнитного поля энергетические уровни парамагнитных центров расщепляются на уровни Зеемана.
- Намагниченность вещества равна n∑MJ=−JJμMJe−EMJ/kBT, где μMJ = MJgJμB.
-
Приближение и объемная намагниченность
- При температурах выше нескольких К можно применить приближение eMJgJμB/kBT ≃ 1+MJgJμB/kBT.
- Объемная намагниченность равна M = n3kBT[gJ2J(J+1)μB2]H.
-
Восприимчивость и эффективный магнитный момент
- Восприимчивость определяется как ∂Mm/∂H = n3kBTμeff2.
- Эффективный магнитный момент μeff = gJ√J(J+1)μB.
-
Парамагнетизм Паули
- Для щелочных и благородных металлов электроны слабо взаимодействуют и образуют ферми-газ.
- Взаимодействие между спинами электронов и магнитным полем приводит к парамагнетизму Паули.
-
Примеры парамагнетиков
- Парамагнетики проявляют магнитную восприимчивость, соответствующую законам Кюри или Кюри-Вайса.
- Системы с непарными спинами, не взаимодействующими друг с другом, являются чистыми парамагнетиками.
-
Парамагнитные элементы и их свойства
- Водород и другие элементы с неспаренными спинами не всегда парамагнитны из-за гашения спинов при комнатной температуре.
- f-электроны менее подвержены гашению, что делает лантаноидные элементы парамагнитными.
-
Парамагнетики в конденсированной фазе
- Парамагнетики возможны только при структурной изоляции магнитных центров.
- Примеры: координационные комплексы d- или f-металлов, белки с такими центрами.
- Растворение парамагнитных частиц в диамагнитной решетке также важно для изучения парамагнитных систем.
-
Системы с взаимодействиями
- Многие материалы с d- или f-элементами сохраняют незатухающие спины.
- Соли таких элементов часто проявляют парамагнитное поведение при низких температурах.
- Парамагнитное поведение выше точек Кюри или Нееля может быть интерпретировано как линейный отклик на приложенное поле.
-
Парамагнетизм и закон Кюри-Вайса
- Закон Кюри-Вайса включает термин θ, описывающий обменное взаимодействие.
- Парамагнитное описание не подразумевает отсутствие взаимодействий, а случайную магнитную структуру.
- Анизотропия взаимодействий приводит к сложным магнитным структурам.
-
Парамагнетизм Паули
- Металлы, такие как алюминий, демонстрируют парамагнитный отклик, но не подчиняются закону Кюри.
- Этот тип поведения называется парамагнетизмом Паули.
-
Суперпарамагнетики
- Некоторые материалы демонстрируют индуцированное магнитное поведение с большими константами Кюри.
- Они характеризуются сильным ферромагнитным или ферримагнитным взаимодействием в доменах.
- Примеры: феррожидкости и разбавленные парамагнитные центры в твердых телах.