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(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。
一些
原子核(如1H,7Li,11B,13C,17O等以及中子)具有磁矩,在磁场作用下会产生顺磁性,但其顺磁磁化率比电子对顺磁性的贡献小得多,只有10-6~10-10量级。因而在讨论物质的顺磁性时,可不计及核的顺磁性。
从原子结构来看,组成顺磁性物体的
原子、离子或
分子具有未被电子填满的内壳层,这类材料的原子、离子或分子中存在固有磁矩,因其相互作用远小于热运动能,
磁矩的取向无规,使材料不能形成
自发磁化。在经典理论中,磁矩在磁场中可取任意方向。所有这些材料中的原子或离子在磁场作用下所产生的磁矩都很小。如许多
过渡金属和
稀土元素的绝缘化合物,
有机化合物中的自由基,以及少数顺磁性气体(如
NO,O2),在一般情况下磁化率随温度的变化遵从
居里定律:κ=C/T,式中C称为居里常数,T为温度。
一些材料中的磁矩虽有
交换作用,如铁磁和亚
铁磁材料,但在高于
居里温度情况下的磁化率随温度的变化遵从居里-外斯定率:κ=C/(T-TP)。式中TP称为材料的顺磁居里温度。对于
铁磁性物质交换作用为正,TP>0;对于反铁磁性物质交换作用为负,TP<0。
一些材料(如碱金属)不具有
自发磁化,外层电子之间不存在交换作用,但它们在磁场中会产生感生磁矩,而具有较弱的顺磁性。
范弗莱克的
量子理论指出,这是
不对称原子或分子的电子云极化所致,并不随温度改变。这类性质称范弗莱克顺磁性。
在磁场作用下,正自旋和负自旋的传导电子具有不同的能量,这就导致在
费米面附近有少量的传导电子
自旋倒向,从而产生微弱的顺磁性效应。金属中自由电子会感生顺磁性,称之为泡利顺磁性。用简单的
能带模型可计算出顺磁磁化率 k=C/(T-TP)=3nμB2/EF,EF为
费米能级。因此,一般情况下泡利顺磁性与温度无关,在温度很高情况,它随T2增大而降低。
一些过渡金属和
稀土金属及其合金中,其巡游的磁性电子之间虽有一定的交换作用,但作用强度还未能达到斯托纳增强条件,即UN(EF)≯1,式中U为电子关联作用能,N(EF)为费米面
态密度,因而不具备
自发磁化,但顺磁性较大一些,称为交换增强顺磁性。
典型的顺磁性气体是O2,常见的顺磁体有过渡金属的
盐类、稀土金属的盐类及氧化物。温度高于磁转变温度时,序磁性(见
铁磁性)物质也呈现为顺磁性,如室温情况下除
钆(Gd)以外的稀土金属。
金属如
锂(Li)、钠(Na)等,这些顺磁性金属的磁化率与温度无关,可以用
量子力学解释。
顺磁性有其重要的应用,从顺磁物质的顺磁性和
顺磁共振可以研究其结构,特别是
电子组态结构;利用顺磁物质的
绝热去磁效应可以获得约1—10-3K的超低温度;顺磁微波量子放大器是早期研制和应用的一种超低
噪声的微波放大器,促进了
激光器的研究和发明,在生命科学中,如
血红蛋白和
肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性,同氧结合后转变为
抗磁性,这两种弱磁性的相互转变反映了生物体内的
氧化还原过程 ,其磁性研究成为
生命现象的一种方法;目前医学上从
核磁共振成像技术发展到
电子顺磁共振成像技术,可以显示生物体内顺磁物质(如血红蛋白和自由基等)的分布和变化,此外某些
测氧仪利用了顺磁性的原理。