顺磁性是一种磁性形式,其中某些材料被外部施加的磁场吸引,并且在所施加的磁场的方向上形成内部感应磁场。与这种行为相反,反磁性材料被磁场排斥,并在与所施加磁场的方向相反的方向上形成感应磁场。顺磁材料包括大多数化学元素和一些化合物; 它们具有大于或等于1的相对磁导率(即,非负磁化率),因此被磁场吸引。由施加场引起的磁矩在场强中是线性的,并且相当弱。
顺磁性(paramagnetism)是指材料对磁场响应很弱的磁性。如用磁化率 k=M/H 来表示(M和H分别为磁化强度和磁场强度),从这个关系来看,磁化率k是正的,即磁化强度的方向与磁场强度的相同,数值为10-6—10-3量级。顺磁性材料被磁场轻微吸引,当去除外部场时,材料不保持磁性。顺磁性是由于一些未成对电子的存在,以及由外部磁场引起的电子磁矩的重新调整。顺磁材料包括镁,钼,锂和钽。
与铁磁体不同,在没有外部施加的磁场的情况下,顺磁体不保持任何磁化,因为热运动使自旋取向随机化。 (一些顺磁性材料甚至在绝对零度下保持自旋无序,意味着它们在基态下,即在没有热运动时是顺磁性的)。因此,当施加场被移除时,总磁化强度下降到零。即使在场的存在下,也只有小的感应磁化,因为只有一小部分的自旋将沿着外场取向。该分数与场强成比例,这解释了线性相关性。铁磁材料的磁化率与外场强度是非线性的并且强得多。
顺磁性物质主要源于原子内部存在永久(固有)磁矩。在没有外加磁场时,原子的固有磁矩呈无序状态,宏观上无磁性;当施加一定的弱外加磁场,由于磁矩与磁场的相互作用,磁矩具有较高的静磁能,产生磁化;随着磁场增强磁化不断增强,使原子磁矩与外加磁场方向一致
顺磁性出现与下列物质中:
1)具有奇数个电子的原子、分子。此时系统总自旋不为零。
2)具有未充满电子壳层的自由原子或离子。如:各过渡元素、稀土元素与錒系元素
3)少数含偶数个电子的化合物,包括O2与有机双基团。
4)元素周期表中第VIII族三联组本身以及之前诸元素的所有金属。
Langevine顺磁性
理论的基本概念:设顺磁性物质的原子或分子的固有磁矩为。顺磁性物质的原子间无相互作用(类似于稀薄气体状态),在无外场时各原子磁矩在平衡状态下呈现出混乱分布,总磁矩为零,当施加外磁场时,各原子磁矩趋向于H方向。
每个磁矩在H中的磁位能:
若单位体积中有N个原子,受H作用后,相对于H的角度分布服从Boltzman统计分布。系统
的状态配分函数:
郎之万函数
2、低温时:
说明低温下,只要H足够强,原子磁矩将沿H方向排列。Langevine顺磁性理论所描述的磁化规律:
二、Langevine函数的修正——布里渊函数
按量子力学原理,原子磁矩在空间取向是量子化或不连续的。由前面的讨论知:
对于高温(或弱场)情况:
结果与经典理论一致.
对于低温(或高H)情况:
此外,可证明:若,即原子磁矩取向任意,则: