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順磁性物質的磁化率為正值,比反磁性大1~3個數量級,x約10-5~10-3,遵守curie定律或curie-weiss定律。物質中具有不成對電子的離子、原子或分子時,存在電子的自旋角動量和軌道角動量,也就存在自旋磁矩和軌道磁矩。在外磁場作用下,原來取嚮雜亂的磁矩將定嚮,從而表現出順磁性。
順磁性是一種弱磁性。順磁(性)物質的主要特點是原子或分子中含有沒有完全抵消的電子磁矩,因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之間並無強的相互作用(一般為交換作用),因此原子磁矩在熱騷動的影響下處於無規(混亂)排列狀態,原子磁矩互相抵消而無合磁矩。但是當受到外加磁場作用時,這些原來在熱騷動下混亂排列的原子磁矩便同時受到磁場作用使其趨嚮磁場排列和熱騷動作用使其趨嚮混亂排列,因此總的效果是在外加磁場方向有一定的磁矩分量。這樣便使磁化率(磁化強度與磁場強度之比)成為正值,但數值也是很小,一般順磁物質的磁化率約為十萬分之一(10-5),並且隨溫度的降低而增大。
常見的順磁物質有氧氣、金屬鉑(白金)、一氧化氮、含摻雜原子的半導體{如摻磷(p)或砷(as)的硅(si)}、由幅照産生位錯和缺陷的物質等。還有含導電電子的金屬如鋰(li)、鈉(na)等,這些順磁(性)金屬的順磁磁化率卻與溫度無關,這種金屬的特殊順磁性是可以用量子力學解釋的。順磁性雖是一種弱磁性,但也有其重要的應用,例如,從順磁物質的順磁性和順磁共振可以研究其結構,特別是電子組態結構;利用順磁物質的絶熱退磁效應可以獲得約1-10-3k的超低溫度,這是一種産生超低溫度的重要方法;在順磁性和順磁共振基礎上發展起來的順磁微波量子放大器,不但是早期研製和應用的一種超低噪聲的微波放大器,而且也促進了激光器的研究和發明,在生命科學方面,如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結合時為順磁性,但在同氧結合後便轉變為抗磁性,這兩種弱磁性的相互轉變就反映了生物體內的氧化和還原過程,因而其磁性研究成為這種重要生命現象的一種研究方法;如果目前醫學上有着重要應用的核磁共振成像技術發展到電子順磁共振成像技術,可以預料利用這一技術便可顯示生物體內順磁物質(如血紅蛋白和自由基等)的分佈和變化,這會在生命科學和醫學上得到重要的應用。
簡而言之:電子自旋産生磁場,分子中有不成對電子時,各單電子平行自旋,磁場加強。這時物質呈順磁性。 | | shuncixing
順磁性
paramagnetism
一種弱磁性。從M=□H的關係來看,磁化率□ 是正的,即磁化強度М的方向與磁場強度□的相同,數量級在室溫時一般為10□~10□emu。
從原子結構來看,組成順磁性物體的原子、離子或分子具有未被電子填滿的內殼層,也就是說具有原子、離子或分子磁矩。但是,這些磁矩之間沒有相互作用,或者說,其相互作用與熱運動能量相比是可以忽略的,因此,在熱運動支配下,磁矩的取嚮是無規的。衹有在外界磁場作用下,按照統計分佈,沿磁場方向有一定的磁矩分量。在經典理論中,磁矩在磁場中可取任意方向,由統計力學所得到的磁化強度是
□,式中 □ 為單位體積的原子數,□ 為原子磁矩、 □(□)=□ 稱作朗之萬函數, 式中 □, □ 為玻耳茲曼常數,□為絶對溫度。若利用量子力學的結果,考慮到磁矩取嚮是量子化的,則磁化強度為
□式中□為朗德因子,□為原子總角動量量子數,□□為玻爾磁子,□稱為布裏淵函數,□
在通常情況下,溫度不很低、磁場不夠強時,滿足□□1的條件,朗之萬函數或布裏淵函數可在原點附近近似展開,而得到磁化強度的表達式為
□這就是居裏定律,它表明磁化率與溫度成反比,其中□□是居裏常數。由居裏常數可測定原子的有效磁矩□
一般的順磁體遵從居裏-外斯定律,即
□式中□為居裏常數,□為絶對溫度,□為一具有溫度量綱的常數,反映了磁性原子之間尚有一定的相互作用。□的符號可正可負,由相互作用的性質來决定。
典型的順磁性氣體是O□,常見的順磁體有過渡族金屬的????類、稀土金屬的????類及氧化物。溫度高於磁轉變溫度時,序磁性(見鐵磁性)物質也呈現為順磁性,如室溫情況下除釓(Gd)以外的稀土金屬。
在磁場作用下,正自旋和負自旋的傳導電子具有不同的能量,這就導致在費密面附近有少量的傳導電子自旋倒嚮,從而産生微弱的順磁性效應。傳導電子的順磁性,也叫做泡利順磁性,特點是與溫度無關。
原子核具有磁矩時,在磁場作用下,也會産生順磁性效應。但是原子核的順磁磁化率約為10□emu,在一般情況下,可忽略不計。
(戴禮智 楊應昌)
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