Парамагнетизм

Парамагнетизм (от пара... и магнетизм), свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент)в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен диамагнетизму, при котором возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внешнего магнитного поля Н.Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда название "П."), а диамагнитные - отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики и антиферромагнетики. Однако в отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при Н = 0 ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру. Термин "П." ввёл в 1845 М. Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. характерен для веществ, частицы которого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов) обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что J = 0. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля по закону J = c Н, где c - магнитная восприимчивость 1 моля вещества, для парамагнетиков всегда положительная и обычно равная по порядку величины 10^-5 - 10^-3. Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением температуры Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц и магнитная восприимчивость убывает - в простейшем случае по Кюри закону c = С/Т (С - постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри (см. Кюри - Вейса закон) в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллического поля). П. свойствен: многим чистым элементам в металлическом состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, некоторые металлы переходных групп с незаполненным d-слоем или f-слоем электронной оболочки - группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов, актиноидов; а также сплавы этих металлов); солям группы железа, группы редкоземельных элементов от Ce до Yb и актиноидов и их водным растворам; парам щелочных металлов и молекулам газов (например, O₂ и NO); небольшому числу органических молекул ("бирадикалам"); ряду комплексных соединений. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих П. веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный П.), со спиновым моментом самих электронов (спиновый П.), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный П.). Магнитные моменты атомов, ионов, молекул создаются в основном спиновыми и орбитальными моментами их электронных оболочек. Они примерно в тысячу раз превосходят магнитные моменты атомных ядер (см. Магнетон). П. металлов слагается в основном из П., свойственного электронам проводимости (так называемый парамагнетизм Паули), и П. электронных оболочек атомов (ионов) кристаллической решётки металла. Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении температуры, П., обусловленный электронами проводимости, от температуры не зависит. Поэтому, например, щелочные и щёлочноземельные металлы, у которых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а П. обусловлен исключительно электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры. В тех веществах, у которых нет электронов проводимости и магнитным моментом обладает лишь ядро (например, у изотопа гелия ³He), П. крайне мал (c~10^-9-10^-12) и может наблюдаться лишь при сверхнизких температурах (Т < 0,1К). Парамагнитная восприимчивость диэлектриков, согласно классической теории П. Ланжевена (1906), определяется формулой c = Nm_a²/3kT, где N - число магнитных атомов в 1 моле вещества, m_a - магнитный момент атома, к - Больцмана постоянная. Эта формула была получена методами статистической физики для системы практически не взаимодействующих атомов, находящихся в слабом магнитном поле или при высокой температуре (когда m_аН << kT). Она даёт теоретическое объяснение Кюри закону. В сильных магнитных полях или при низких температурах m_aH >> kT) намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к Nm_a²(к насыщению). Квантовая теория П., учитывающая квантование пространственное момента m_а (Л. Бриллюэн, 1926), даёт аналогичное выражение для восприимчивости (диэлектриков (при m_aH << kT): c =NJ (J + 1)m_а²g_j²/3кТ, где J - квантовое число, определяющее полный момент количества движения атома, gj - Ланде множитель. Парамагнитная восприимчивость полупроводников c^п_э, обусловленная электронами проводимости, в простейшем случае зависит от температуры Т экспоненциально

c^п_э=АТ^1/2 exp (-DE/2kT), где А - константа вещества, DЕ - ширина запрещенной зоны полупроводника. Особенности индивидуального строения полупроводников сильно искажают эту зависимость. В простейшем случае для металлов (без учёта Ландау диамагнетизма и взаимодействия электронов) c^м_э = 3Nm²_э/2E_o, где Eo - Ферми энергия, mэ - магнитный момент электрона (c^м_э не зависит от температуры). Ядерный П. при отсутствии сильного взаимодействия между спинами ядер и электронными оболочками атомов характеризуется величиной c_я = Nm²_я 3kT, которая приблизительно в 10⁶ раз меньше электронной парамагнитной восприимчивости (m_э~10³ m_я). Изучение П. различных веществ, а также электронного парамагнитного резонанса (резонансного поглощения парамагнетиками энергии электромагнитного поля) позволяет определять магнитные моменты отдельных атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение сложных молекул и молекулярных комплексов, а также осуществлять тонкий структурный анализ материалов, применяемых в технике. В физике парамагнитные вещества используют для получения сверхнизких температур (ниже 1 К, см. Магнитное охлаждение). Историю развития учения о П. см. в ст. магнетизм.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973; его же, Магнетизм, М., 1971; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Абрагам А., Ядерный магнетизм. пер. с англ., М., 1963; Киттель Ч., Введение в физику твёрдого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1963; Физика магнитных диэлектриков, Л., 1974.
Я. Г. Дорфман.