5.6 Парамагнетизм.

Парамагнетизм (от пара...- около, возле и магнетизм), свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Таким образом, внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности M. В этом отношении парамагнетизм 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 «парамагнетик» ввёл в 1845 Майкл Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. Парамагнетизм 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 M = 0. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля по закону M = Н, где  — магнитная восприимчивость 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 закону Кюри

 = С/Т

(С — постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллического поля).

Парамагнетизм 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 парамагнетизм веществ, может быть связано с орбитальным моментом электронов в оболочке атома (орбитальный парамагнетизм), со спиновым моментом самих электронов (спиновый парамагнетизм), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный парамагнетизм). 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. Парамагнетизм металлов слагается в основном из парамагнетизма, свойственного электронам проводимости (так называемый парамагнетизм Паули), и парамагнетизмом электронных оболочек атомов (ионов) кристаллической решётки металла. Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении температуры, парамагнетизм, обусловленный электронами проводимости, от температуры не зависит. Поэтому, например, щелочные и щёлочноземельные металлы, у которых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а парамагнетизм 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), парамагнетизм крайне мал (~10^-9—10^-12) и может наблюдаться лишь при сверхнизких температурах (Т < 0,1К).

Парамагнитная восприимчивость диэлектриков, согласно классической теории Поля Ланжевена (1906), определяется формулой

 = np_m²₀/3k_BT,

где n — концентрация магнитных атомов вещества, p_m — магнитный момент атома, k_B —Больцмана постоянная. Эта формула получена методами статистической физики для системы практически не взаимодействующих атомов, находящихся в слабом магнитном поле или при высокой температуре (когда p_mB << k_BT). Она даёт теоретическое объяснение закона Кюри.

В сильных магнитных полях (или при низких температурах p_mB >> k_BT) намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к np_m² (насыщение).