ПАРАМАГНЕТИЗМ

ПАРАМАГНЕТИЗМ (от пара... и
магнетизм),
свойство
тел, помещённых во внеш. магнитное поле, намагничиваться (приобретать
магнитный
момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о.,
внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внеш. поля прибавляется
действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен
диамагнетизму,
при
к-ром возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован
навстречу направлению напряжённости внеш. магнитного поля Н. Поэтому
парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда назв. "П."),
а диамагнитные - отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством
намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики и
антиферромагнетики.
Однако
в отсутствие внеш. поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они
не обладают
магнитной структурой (взаимной упорядоченной ориентацией
магнитных моментов атомов), в то время как при Н = О ферро- и антиферромагнетики
сохраняют магнитную структуру. Термин "П." ввёл в 1845 М. Фарадей, к-рый
разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П.
характерен для веществ, частицы к-рого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов)
обладают собств. магнитным моментом, но в отсутствие внеш. поля эти моменты
ориентированы хаотически, так что J
= 0. Во внеш. поле магнитные
моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преим. по полю. В слабых
полях намагниченность парамагнетиков растёт с ростом поля по закону J
=
xH, где x - 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 темп-ры
Т
при неизменной
напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения
частиц и магнитная восприимчивость убывает - в простейшем случае по Кюри
закону x = С/Т (С - постоянная Кюри, зависящая от природы вещества).
Отклонения от закона Кюри (см. Кюри-Вейса закон)
в основном связаны
с взаимодействием частиц (влиянием кристаллич. поля). П. свойствен: многим
чистым элементам в металлич. состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные
металлы, нек-рые 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 Се до Yb и актиноидов
и их водным растворам; парам щелочных металлов и молекулам газов (напр.,
Оряду комплексных соединений. Парамагнетиками становятся ферро- и
антиферромагнитные вещества при темп-pax, превышающих, соответственно,
темп-ру Кюри или Нееля (темп-ру 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 (т. н. парамагнетизм
Паули), и П. электронных оболочек атомов (ионов) кристаллич. решётки металла.
Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется
при изменении темп-ры, П., обусловленный электронами проводимости, от темп-ры
не зависит. Поэтому, напр., щелочные и щёлочноземельные металлы, у к-рых
электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а П. обусловлен исключительно
электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей
от темп-ры. В тех веществах, у к-рых нет электронов проводимости и магнитным
моментом обладает лишь ядро (напр., у изотопа гелия ³Не), П.
крайне мал (x 10^-9-10^-12) и может наблюдаться лишь
при сверхнизких темп-pax (Т < 0,1К). Парамагнитная восприимчивость
диэлектриков,
согласно
классич. теории П. Ланжевена (1906), определяется формулой x = Nn2/3kT,
где N - число магнитных атомов в 1 моле вещества, n- магнитный момент атома,
k - Болъцмана постоянная. Эта формула
была получена методами статистической физики для системы практически не
взаимодействующих атомов, находящихся в слабом магнитном поле или при высокой
темп-ре (когда nОна даёт теоретическое
объяснение Кюри закону. В сильных магнитных полях или при низких
темп-pax (n " kT) намагниченность парамагнитных
диэлектриков стремится к Nn²(к насыщению). Квантовая
теория П., учитывающая квантование пространственное
момента n(Л.
Бриллюэн,
1926),
даёт аналогичное выражение для восприимчивости x диэлектриков (при nH " kT): x=NJ (J + 1) n2g²/3kT,
где
J
- квантовое число, определяющее полный момент количества движения атома,
g- Ланде множитель.
Парамагнитная восприимчивость
полупроводников
x^п, обусловленная электронами проводимости,
в простейшем случае зависит от темп-ры Т экспоненциально x^п1/2ехр(-
дельта Е/2kT),
где А - константа вещества, дельта Е -
ширина
запрещённой
зоны полупроводника. Особенности индивидуального строения полупроводников
сильно искажают эту зависимость. В простейшем случае для
металлов (без
учёта Ландау диамагнетизма и взаимодействия электронов)

x^м = 3Nn²Е,
где Еэлектрона (x^м не зависит от температуры).
Ядерный П. при отсутствии сильного взаимодействия между спинами ядер
и электронными оболочками атомов характеризуется величиной x
= Nn²3kT, к-рая приблизительно в
10⁶ раз меньше электронной парамагнитной восприимчивости (n3nИзучение П. различных веществ, а также электронного парамагнитного резонанса
(резонансного
поглощения парамагнетиками энергии электромагнитного поля) позволяет определять
магнитные моменты отд. 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 темп-р (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 диалект*
риков, Л., 1974. Я. Г. Дорфман.