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順磁性（一種弱磁性）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-19

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順磁性

一種弱磁性

順磁性是一種弱磁性。當(dāng)分子軌道或原子軌道上有落單的原子或電子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生順磁性。順磁性物質(zhì)的主要特點(diǎn)是原子或分子中含有沒(méi)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）磁矩之間并無(wú)強(qiáng)的相互作用（一般為交換作用），因此原子磁矩在熱騷動(dòng)的影響下處于無(wú)規(guī)（混亂）排列狀態(tài)，原子磁矩互相抵消而無(wú)合磁矩。

基本信息

中文名	順磁性
外文名	paramagnetism
學(xué)科	電磁學(xué)
磁化率	正值
遵循	居里定律、居里－外斯定率
公式	κ=C/T

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正文

一種弱磁性。從

的關(guān)系來(lái)看，磁化率

是正的，即磁化強(qiáng)度

的方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度

的相同，數(shù)量級(jí)在室溫時(shí)一般為

。

從原子結(jié)構(gòu)來(lái)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(nèi)殼層，也就是說(shuō)具有原子、離子或分子磁矩。但是，這些磁矩之間沒(méi)有相互作用，或者說(shuō)，其相互作用與熱運(yùn)動(dòng)能量相比是可以忽略的，因此，在熱運(yùn)動(dòng)支配下，磁矩的取向是無(wú)規(guī)的。只有在外界磁場(chǎng)作用下，按照統(tǒng)計(jì)分布，沿磁場(chǎng)方向有一定的磁矩分量。在經(jīng)典理論中，磁矩在磁場(chǎng)中可取任意方向，由統(tǒng)計(jì)力學(xué)所得到的磁化強(qiáng)度是

，式中N為單位體積的原子數(shù)，

為原子磁矩、

稱(chēng)作朗之萬(wàn)函數(shù)，式中

,t為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。若利用量子力學(xué)的結(jié)果，考慮到磁矩取向是量子化的，則磁化強(qiáng)度為

式中

g為朗德因子，

J為原子總角動(dòng)量量子數(shù)，

為玻爾磁子，

稱(chēng)為布里淵函數(shù)，

在通常情況下，溫度不很低、磁場(chǎng)不夠強(qiáng)時(shí)，滿足

的條件，朗之萬(wàn)函數(shù)或布里淵函數(shù)可在原點(diǎn)附近近似展開(kāi)，而得到磁化強(qiáng)度的表達(dá)式為

或

這就是居里定律，它表明磁化率與溫度成反比，其中

是居里常數(shù)。由居里常數(shù)可測(cè)定原子的有效磁矩

一般的順磁體遵從居里－外斯定律，即

式中

C為居里常數(shù)，

T為絕對(duì)溫度，

為一具有溫度量綱的常數(shù)，反映了磁性原子之間尚有一定的相互作用。

的符號(hào)可正可負(fù)，由相互作用的性質(zhì)來(lái)決定。

典型的順磁性氣體是

，常見(jiàn)的順磁體有過(guò)渡族金屬的鹽類(lèi)、稀土金屬的鹽類(lèi)及氧化物。溫度高于磁轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，序磁性（見(jiàn)鐵磁性）物質(zhì)也呈現(xiàn)為順磁性，如室溫情況下除釓(Gd)以外的稀土金屬。

在磁場(chǎng)作用下，正自旋和負(fù)自旋的傳導(dǎo)電子具有不同的能量，這就導(dǎo)致在費(fèi)密面附近有少量的傳導(dǎo)電子自旋倒向，從而產(chǎn)生微弱的順磁性效應(yīng)。傳導(dǎo)電子的順磁性，也叫做泡利順磁性，特點(diǎn)是與溫度無(wú)關(guān)。

原子核具有磁矩時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，也會(huì)產(chǎn)生順磁性效應(yīng)。但是原子核的順磁磁化率約為

,在一般情況下，可忽略不計(jì)。

種類(lèi)

常見(jiàn)的順磁物質(zhì)有氧氣、金屬鉑(白金)、一氧化氮、含摻雜原子的半導(dǎo)體{如

熱順磁性氧氣分析儀

摻磷(P)或砷(As)的硅(Si)}、由幅照產(chǎn)生位錯(cuò)和缺陷的物質(zhì)等。還有含導(dǎo)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(wú)關(guān)，這種金屬的特殊順磁性是可以用量子力學(xué)解釋的。順磁性雖是一種弱磁性，但也有其重要的應(yīng)用，例如，從順磁物質(zhì)的順磁性和順磁共振可以研究其結(jié)構(gòu)，特別是電子組態(tài)結(jié)構(gòu)；利用順磁物質(zhì)的絕熱退磁效應(yīng)可以獲得約1-10-3K的超低溫度，這是一種產(chǎn)生超低溫度的重要方法；在順磁性和順磁共振基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的順磁微波量子放大器，不但是早期研制和應(yīng)用的一種超低噪聲的微波放大器，而且也促進(jìn)了激光器的研究和發(fā)明，在生命科學(xué)方面，如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結(jié)合時(shí)為順磁性，但

順磁共振波譜儀

在同氧結(jié)合后便轉(zhuǎn)變?yōu)榭勾判?，這兩種弱磁性的相互轉(zhuǎn)變就反映了生物體內(nèi)的氧化和還原過(guò)程，因而其磁性研究成為這種重要生命現(xiàn)象的一種研究方法；如果目前醫(yī)學(xué)上有著重要應(yīng)用的核磁共振成像技術(shù)發(fā)展到電子順磁共振成像技術(shù)，可以預(yù)料利用這一技術(shù)便可顯示生物體內(nèi)順磁物質(zhì)(如血紅蛋白和自由基等)的分布和變化，這會(huì)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)上得到重要的應(yīng)用。(另外，某些測(cè)氧儀的原理就是利用順磁性)

堿金屬元素和除了鐵、鈷、鎳以外的過(guò)渡元素都具有順磁性。在順磁性物質(zhì)內(nèi)部，由于原子軌域或分子軌域只含有奇數(shù)個(gè)電子，會(huì)存在有很多未配對(duì)電子。遵守泡利不相容原理，任何配對(duì)電子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配對(duì)電子可以自由地將磁矩指向任意方向。當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，這些未配對(duì)電子的磁矩趨于與外磁場(chǎng)呈相同方向，從而使磁場(chǎng)更加強(qiáng)烈。假設(shè)外磁場(chǎng)被撤除，則順磁性也會(huì)消失無(wú)蹤。

一般而言，除了金屬物質(zhì)以外，順磁性與溫度相關(guān)。由于熱騷動(dòng)（thermal agitation）造成的碰撞會(huì)影響磁矩整齊排列，溫度越高，順磁性越微弱；溫度越低，順磁性越強(qiáng)烈。

簡(jiǎn)而言之：電子自旋產(chǎn)生磁場(chǎng)，分子中有不成對(duì)電子時(shí)，各單電子平行自旋，磁場(chǎng)加強(qiáng)。這時(shí)物質(zhì)呈順磁性。

高磁場(chǎng)下順磁性

的磁飽和特性

順磁性

的磁化強(qiáng)度溫度特性曲線

不同順磁性(100%純度)礦粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬

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