ПАРАМАГНЕТИЗМ

(от греч. para — возле, рядом и магнетизм), свойство в-в (парамагнетиков), помещённых во внеш. магн. поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнетика к действию внеш. поля прибавляется действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен диамагнетизму. Парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (диамагнитные — отталкиваются). Характерным для парамагнетиков св-вом намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики, ферримагнетики и антиферромагнетики. Однако в отсутствии внеш. поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой атомной, в то время как ферро-, ферри- и антиферромагнетики сохраняют магн. структуру. Термин «П.» ввёл в 1845 М. Фарадей, к-рый разделил все в-ва (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. характерен для в-в, частицы к-рых (атомы, молекулы, ионы, ат. ядра) обладают собств. магн. моментом, но в отсутствии внеш. поля эти моменты ориентированы хаотически, так что в целом J=0. Во внеш. поле магн. моменты атомов парамагн. в-в ориентируются преимущественно по полю, с ростом поля намагниченность парамагнетиков растёт по закону

J=cH,

где c — магнитная восприимчивость 1 см3 в-ва, для парамагнетиков c =10-7—10-4 и всегда положительна. Если поле очень велико, то все магн. моменты парамагн. ч-ц будут ориентированы строго по полю (магнитное насыщение).

С повышением темп-ры Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения ч-ц и магн. восприимчивость убывает — в простейшем случае по Кюри закону c= С/Т (С — постоянная Кюри). Отклонения от закона Кюри (см. КЮРИ— ВЕЙСА ЗАКОН) в осн. связаны с взаимодействием ч-ц (влиянием внутрикристаллического поля).

Существование у атомов (ионов) магн. моментов, обусловливающих П. в-в, может быть связано с движением эл-нов в оболочке атома (орбитальный П.), со спиновым моментом самих эл-нов (спиновый П.), с магн. моментами ядер атомов (ядерный парамагнетизм). Магн. моменты атомов, ионов, молекул создаются в осн. их эл-нами, чьи моменты примерно в тысячу раз превосходят маги. моменты ат. ядер (см. МАГНЕТОН).

П. металлов слагается в осн. из спинового П., свойственного эл-нам проводимости (т. н. п а р а м а г н е т и з м П а у л и), и П. электронных оболочек атомов (ионов), составляющих крист. решётку металла. Поскольку движение эл-нов проводимости металлов практически не меняется при изменении темп-ры, П., обусловленный эл-нами проводимости, от темп-ры не зависит. Поэтому, напр., щелочные и щёлочноземельные металлы, у к-,рых электронные оболочки ионов лишены магн. момента, а П. обусловлен исключительно эл-нами проводимости, обладают магн. восприимчивостью, не зависящей от темп-ры. В в-вах, в к-рых нет эл-нов проводимости, магн. моменты электронных оболочек атомов скомпенсированы, магн. моментом обладает лишь ядро (напр., у изотопа гелия 3Не) и П. крайне мал (=10-9—10-12), он может наблюдаться лишь при сверхнизких температурах (Т = 0,1 К).

Парамагн. восприимчивость диэлектриков, согласно классич. теории П. Ланжевена (1906), определяется ф-лой

cд = Nm2a/3kT,

где N — число парамагн. атомов в 1 моле в-ва, ma — магн. момент атома.

Эта ф-ла была получена методами статистической физики для системы практически не взаимодействующих атомов, находящихся в с л а б о м магн. поле или при в ы с о к о й темп-ре (когда maH <-kT). В сильных магн. полях или при н и з к и х темп-pax (когда maH->kT) намагниченность парамагн. диэлектриков стремится к Nma (насыщение). Квант. теория П., учитывающая квантование пространственное момента ma (франц. физик Л. Бриллюэн, 1926), в случае восприимчивости cд диэлектриков приводит к ф-ле (при maH<-kT):

cд=Nj(j+1)m2ag2j/ЗkT,

где j — квант. число, определяющее полный момент импульса атома, gj — Ланде множитель. Парамагн. восприимчивость 1 моля полупроводников cп, обусловленная эл-нами проводимости, в простейшем случае зависит от темп-ры Т экспоненциально cпэ=AT1/2exp(-D?/2kT), где А — константа в-ва, D? — ширина запрещённой зоны ПП. Особенности индивидуального строения ПП сильно искажают эту зависимость. Для металлов (без учёта Ландау диамагнетизма и вз-ствия эл-нов)

cмэ=3Nm2э/2?0,

где ?0 — энергия Ферми, mэ — магн. момент эл-на, cмэ не зависит от темп-ры. Парамагнитными могут быть и хим. соединения, содержащие ионы, не обладающие магн. моментом в осн. состоянии. В них П. связан с квантовомеханич. поправками, обусловленными примесью возбуждённых состояний с магн. моментом. Такой П. (п а р а м а г н е т и з м В а н Ф л е к а) не зависит от темп-ры (пример — ионы Eu3+ ).

Яд. П. при отсутствии сильного вз-ствия между спинами ядер и электронными оболочками атомов характеризуется величиной

cя=Nm2я/3kT

(mя — магн. момент ядра), к-рая прибл. в 106 раз меньше электронной парамагн. восприимчивости (mэ=103mя).

Исследование П. в-в, а также электронного парамагнитного резонанса позволяет определять магн. моменты отд. атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение сложных молекул и мол. комплексов, а также осуществлять тонкий структурный анализ материалов, применяемых в технике. Парамагн. в-ва используют для получения сверхнизких темп-р (ниже 1 К, (см. МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ)).