Парамагнетик Википедия
Парамагнетик в присутствии сильного магнитного поля.Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость, но значительно меньшую единицы. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы μ≳1{\displaystyle \mu \gtrsim 1}.
Термин «Парамагнетизм» ввёл в 1848 году Майкл Фарадей, который разделил все вещества на ферромагнитные, диамагнитные, парамагнитные, сперомагнитные (асперомагнетики) и ферримагнитные (миктомагнетики).
Вещества парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
К парамагнетикам относятся алюминий (Al{\displaystyle {\ce {Al}}}), платина (Pt{\displaystyle {\ce {Pt}}}), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (O2{\displaystyle {\ce {O2}}}), оксид азота (NO{\displaystyle {\ce {NO}}}),
|
|
ПАРАМАГНЕТИКИ, в-ва,
намагничивающиеся во внеш. магн. поле по направлению поля. Это св-во в-в наз.
пара-магнетизмом. В неоднородном магн. поле парамагнетики втягиваются в область сильного
магн. поля. Их магн. восприимчивость c всегда положительна. Парамагнетизм характерен
для в-в, атомы, ионы или молекулы к-рых обладают собств. магн. моментами, но
в отсутствие внеш. поля эти моменты ориентированы хаотично и в целом намагниченность
в-ва отсутствует. Магн. моменты м. б. обусловлены орбитальным движением электронов
в оболочках атомов или молекул (орбитальный парамагнетизм), спиновыми моментами
самих электронов (спиновый парамагнетизм), магн. моментами ядер атомов (ядерный
парамагнетизм). В отличие от антиферромагнетиков, ферримагнетиков и ферромагнетиков
парамагнетики в отсутствие внеш. магн. поля не обладают магн. структурой. Внеш. магн. поле
приводит к упорядочению магн. моментов и, как следствие, к появлению намагниченности
вдоль поля. Конкуренция между упорядочивающим
действием магн. поля и разупорядочивающим действием теплового движения частиц
в-ва (атомов, ионов) приводит к след. ф-ле для c парамагнетиков (закон Кюри): где m-величина магн.
момента атома, N -число парамагнитных атомов в 1 моле в-ва, bkB-постоянная
Больцмана, Т-абс. т-ра. При наличии нек-рого взаимод. между магн. моментами
и их взаимод. с внутрикристаллич. полем c парамагнетиков описывается ф-лой (закон
Кюри-Вейса): где q-константа Вейса,
характеризующая влияние внутрикристаллич. поля. Для ферромагнетиков, становящихся
выше точки Кюри парамагнетиками, q-положит, величина, для антиферромагнетиков,
переходящих в парамагнитное состояние выше точки Нееля, q — в большинстве
случаев отрицательна. Ф-лы (1) и (2) справедливы
в области слабых магн. полей, когда намагниченность в-ва I линейно возрастает
с ростом напряженности магн. поля H (I = cH). С возрастанием
H и понижением т-ры увеличивается степень упорядочения магн. моментов
атомов, а зависимость I от магн. поля и т-ры имеет более сложный вид.
Ф-лы (1) и (2) м. б. использованы для определения концентрации парамагнитных
атомов по величине их магн. момента и характеру зависимости c парамагнетиков от
т-ры. Спиновый парамагнетизм,
или парамагнетизм Паули, свойственный металлам, обусловлен электронами проводимости.
В случае полупроводников его величина ничтожно мала. Спиновый парамагнетизм
металлов не зависит от т-ры. Не зависит от т-ры и парамегнетизм Ван Флека. Он
присущ в-вам, атомы или ионы к-рых в осн. энергетич. состоянии не обладают магн.
моментом. В данном случае парамагнетизм обусловлен примесью возбужденных состояний
с магн. моментом. В случае ядерного парамагнетизма
c подчиняется закону Кюри [ур-ние (1), где m-величина ядерного магн.
момента, N — концентрация атомных ядер]. Экспериментально ядерный парамагнетизм
можно наблюдать в области сверхнизких т-р и лишь у тех B-B, в к-рых отсутствуют
элект-роны проводимости, а электронные оболочки атомов не имеют магн. моментов,
напр. у К парамагнетикам относят нек-рые газы
(напр., O2, NO), щелочные и щел.-зем. металлы, нек-рые металлы переходных
групп с незаполненными d- или f-электронными оболочками, сплавы
этих металлов, хим. соед. переходных металлов, их водные р-ры, твердые р-ры
переходных элементов в диамагнитных матрицах, а также своб. радикалы, бирадикалы,
молекулы в триплетных электронных состояниях. В парамагнитное состояние переходят
антиферро-, ферри- и ферромагнетики при т-рах выше т-р соответствующих фазовых
переходов. Изучение парамагнетизма
в-в дает возможность определять магн. моменты атомов, ионов, исследовать их
зарядовые состояния, позволяет получать информацию о строении мол. комплексов,
сложных молекул, о структуре твердых р-ров парамагнитных ионов в диамагнитных
матрицах, о кинетике хим. р-ций с участием своб. радикалов и т. д. Аналогичная
информация м. б. получена при помощи ЭПР (осн. метод) и ЯМР. Адиабатич. размагничивание
парамагнитных солей (элементов групп Fe и РЗЭ) используют для получения сверхнизких
т-р (ниже 1 К). Измерения c парамагнитных солей применяют для измерения
низких т-р. Лит.: Вонсовский
С. В., Магнетизм, M., 1971; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, пер.
с англ., M., 1978. См. также лит. при ст. Магнето-химия. Д. Г. Андрианов. |
Суперпарамагнетизм — Википедия
Суперпарамагнетизм — форма магнетизма, проявляющаяся у ферромагнитных и ферримагнитных частиц. Если такие частицы достаточно малы, то они переходят в однодоменное состояние, то есть становятся равномерно намагниченными по всему объёму. Магнитный момент таких частиц может случайным образом менять направление под влиянием температуры, и при отсутствии внешнего магнитного поля средняя намагниченность суперпарамагнитных частиц равна нулю. Но во внешнем магнитном поле такие частицы ведут себя как парамагнетики даже при температуре ниже точки Кюри или точки Нееля. Тем не менее, магнитная восприимчивость суперпарамагнетиков намного больше, чем парамагнетиков.
Наиболее ярким отличием в магнитных свойствах однодоменной наночастицы от свойств объемного ферромагнетика является эффект суперпарамагнетизма. В однодоменной частице температура вызывает флуктуации направления магнитного момента относительно его энергетически выгодной ориентации. Если частица изотропна, то характер её намагничивания будет подобен намагничиванию парамагнитного иона с необычайно большим значением спина и будет описываться функцией Ланжевена. Ансамбли таких изотропных частичек называют ансамблями ланжевеновских частиц. Если же частицы анизотропны (имеют анизотропию формы, кристаллографическую анизотропию и т. п.), то магнитные свойства ансамбля таких частиц будут в значительной мере отличаться от свойств ансамбля ланжевеновских частиц.
Кривые перемагничивания, рассчитанные Стонером и Вольфартом для однодоменных частиц с одноосной анизотропией при Т = 0 K.a) — кривые гистерезиса для одной частицы, намагничиваемой под разным углом (θ{\displaystyle \theta }1) к легкой оси анизотропии (mz — проекция намагниченности частицы на направление магнитного поля H,
b) — кривая перемагничивания для ансамбля частиц с равномерно распределенными направлениями легких осей в пространстве (M — намагниченность ансамбля частиц нормированная на намагниченность насыщения ансамбля).
Первые работы по интерпретации магнитных свойств ансамбля анизотропных однодоменных частиц были выполнены английскими физиками Стонером и Вольфартом[1]. Исследование некоторых твердых растворов магнитного и немагнитного металлов в определенном интервале их соотношений демонстрировало экстремально высокие значения коэрцитивности, не характерные для чистого ферромагнетика. Стонер и Вольфарт предложили простую и в то же время удачную интерпретацию этих результатов. Они предположили, что в таком твердом растворе происходит распад на магнитную и немагнитную фракции, в результате чего образуются ферромагнитные частички нанометрового масштаба, равномерно, но не упорядоченно расположенные в немагнитной среде. Исходя из соображений, что таким малым частичкам энергетически выгодно быть однодоменными, они предположили, что перемагничивание в каждой из них происходит путём когерентного вращения всех магнитных моментов ионов в частице, что в свою очередь предполагает, что в процессе перемагничивания абсолютное значение намагниченности частички не изменяется. Исходя из этих представлений, ученые рассчитали кривые перемагничивания для разных ансамблей частиц при Т = 0 К. Полученные результаты хорошо согласовывались с экспериментальными данными и такая теория перемагничивания наночастиц получила признание и остается популярной и в наши дни. Поэтому однодоменную анизотропную частичку, перемагничивание в которой осуществляется без изменения абсолютного значения её намагниченности, принято называть стонер-вольфартовской частицей (СВ-частицей).
Состояния стонер-вольфартовских частиц[править | править код]
В отличие от магнитных свойств ансамбля ланжевеновских частиц, где определяющим внутренним параметром является магнитный момент частицы (в реальных системах — дисперсия по этому параметру), а внешним параметром — температура, магнитные свойства ансамблей СВ-частиц зависят от многих дополнительных параметров. Наиболее важными среди них являются тип анизотропии частиц и их взаимное расположение в ансамбле. Среди внешних параметров дополнительно к температуре добавляются начальное состояние ансамбля (которое может быть неравновесным) и время наблюдения за ансамблем — время измерения.
В определенном интервале значений магнитных полей наличие у каждой частицы, например одноосной анизотропии, приводит к возникновению барьера, разделяющего два энергетических минимума в фазовом пространстве ориентаций магнитного момента. Время жизни в каждом из минимумов будет определяться высотой барьера и температурой. Установление термодинамического равновесия в таком ансамбле будет происходить путём термоактивационных переориентаций магнитного момента через барьер с характерным для данной температуры временем релаксации.
Так как этот процесс происходит во времени, то, в зависимости от характерного для каждого эксперимента времени наблюдения за системой (времени измерения) и температуры, магнитное состояние ансамбля можно условно разделить на два типа: блокированное и разблокированное.
- Блокированное состояние будет соответствовать всему участку температур, ниже некоторой характерной температуры, при котором в каждой экспериментальной точке система не успевает приблизиться к своему равновесному состоянию за установленное время измерения. Как результат такого состояния в магнитных свойствах системы будут проявляться эффекты блокировки, связанные с метастабильностью системы, которые в случае магнитостатических измерений с протяжкой магнитного поля будут соответствовать возникновению коэрцитивности и остаточной намагниченности (реманентности) на кривых перемагничивания.
- Разблокированное состояние будет соответствовать всему участку температур, выше той же характерной температуры. В этом температурном участке система характеризуется малым по сравнению со временем измерения временем релаксации и в каждой экспериментальной точке система успевает приближаться к своему, соответствующему этой точке равновесному состоянию. Как результат эффекты блокировки практически не будут проявляться. Значение же этой характерной температуры, разделяющей блокированное и разблокированое состояния, называется температурой блокировки. Её значение будет сильно зависеть от времени измерения, характерного для каждого из экспериментов.
Зависимости нормированной потенциальной энергии частицы от ориентации магнитного момента ((θ{\displaystyle \theta }) при разных значениях магнитного поля h. a) — для ланжевеновской частицы;
b) — для одноосной СВ-частицы, ориентированной легкой осью вдоль магнитного поля (θ{\displaystyle \theta }1 =0).
(θ{\displaystyle \theta } — угол между направлением магнитного момента частицы и направлением магнитного поля, h — нормированное на ms/(2K) магнитное поле, V — объем частицы, ms — её намагниченность насыщения, K — константа одноосной анизотропии СВ-частицы.
Переход к использованию в качестве носителя информации ансамблей однодоменных анизотропных наночастиц, в которых ориентация магнитного момента каждой гранулы будет нести полезную информацию, позволит значительно увеличить плотность записи информации по сравнению с современными носителями.
В то же время, свойственное однодоменным частицам явление суперпарамагнетизма является в данном технологическом направлении паразитным фактором, который может существенно сокращать длительность хранения информации (так называемый суперпарамагнитный предел) при значительном уменьшении объема частиц. Кроме того, когда расстояние между соседними частицами достаточно мало, на магнитных свойствах отдельной СВ-частицы начинают сказываться эффекты межчастичного взаимодействия. Это приводит к тому, что величина энергетического барьера частицы становится зависящей от ориентаций магнитных моментов соседних частиц. Последнее значительно усложняет понимание процессов перемагничивания в таком взаимодействующем ансамбле.
- ↑ E. C. Stoner, E. P. Wohlfarth. Механизм магнитного гистерезиса в гетерогенных сплавах = A Mechanism of Magnetic Hysteresis in Heterogeneous Alloys // Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A.. — 1948. — Т. 240, № 826. — С. 599-642.
- К. М. Хёрд — Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах
- E. C. Stoner, E. P. Wohlfarth. Механизм магнитного гистерезиса в гетерогенных сплавах = A Mechanism of Magnetic Hysteresis in Heterogeneous Alloys // Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A.. — 1948. — Т. 240, № 826. — С. 599-642.
- L. Néel. Theory of the Magnetic After-Effect in Ferromagnetics in the Form of Small Particles, with Applications to Baked Clays = Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites // Ann. Géophys.. — 1949. — Т. 5, № 2. — С. 99-136.
- L. Néel. Влияние тепловых флуктуаций на намагниченность малых частиц ферромагнетика = Influence of thermal fluctuations on the magnetization of ferromagnetic small particles // C. R. Acad. Science.. — 1949. — Т. 228, № 6. — С. 664-668.
- C. P. Bean. Петли гистерезиса смесей ферромагнитных порошков = Hysteresis loops of mixtures of ferromagnetic micropowders // J. Appl. Phys.. — 1955. — Т. 26, № 11. — С. 1381-1383.
- C. P. Bean, J. D. Livingstone. Суперпарамагнетизм = Superparamagnetism // J. Appl. Phys.. — 1959. — Т. 30, № 4. — С. 120S-129S.
- W. F. Brown. Релаксационное поведение тонкодисперсных магнитных включений = Relaxational Behavior of Fine Magnetic Particles // J. Appl. Phys.. — 1959. — Т. 30, № 4. — С. 130S-132S.
- W. F. Brown. Тепловые флуктуации однодоменных частиц = Thermal Fluctuations of a Single-Domain Particle // J. Appl. Phys.. — 1963. — Т. 34, № 4. — С. 1319-1320.
- W. F. Brown. Тепловые флуктуации однодоменных частиц = Thermal Fluctuations of a Single-Domain Particle // Physical Review. — 1963. — Т. 130, № 5. — С. 1677-1686.
Доклад — Парамагнетики
Парамагнетики
Парамагнетики — вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Их магнитная восприимчивость всегда положительна. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Т.е. у парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.
Спиновый парамагнетизм, или парамагнетизм Паули, свойственный металлам, обусловлен электронами проводимости. В случае полупроводников его величина ничтожно мала. Спиновый парамагнетизм металлов не зависит от температуры. Не зависит от температуры и парамагнетизм Ван Флека. Он присущ веществам, атомы которых в основном энергетическом состоянии не обладают магнитным моментом. В данном случае парамагнетизм обусловлен примесью возбужденных состояний с магнитным моментом.
Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W и другие. Магнитная проницаемость даже наиболее сильных парамагнетиков мало отличается от единицы:
1,00036 – у платины;
1,0034 – у жидкого кислорода.
Изучение парамагнетизма веществ дает возможность определять магнитные моменты атомов, исследовать их зарядовые состояния, позволяет получать информацию о строении сложных молекул, о кинетике химических реакций с участием свободных радикалов и т. д.
Парамагнитные вещества Парамагнетики — Справочник химика 21
Магнитные свойства веществ зависят от особенностей построения электронных оболочек их частиц (молекул, ионов). Различают диа- и парамагнитные вещества. Первые выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Они в своих электронных оболочках содержат только спаренные электроны. Вторые втягиваются в это поле. В электронной оболочке частиц, относящихся к парамагнетикам, содержатся неспаренные электроны. [c.110]Для парамагнетиков J=v.H. Магнитная восприимчивость идеальных парамагнитных веществ, по закону Кюри, обратно пропорциональна температуре [c.195]
Если векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (молекулы) не равна нулю, то атом (молекула) в целом обладает некоторым магнитным моментом Лу,. Такие атомы (молекулы) называются парамагнитными, а состоящие из них вещества парамагнетиками. [c.298]
Спектр ЭПР дают свободные радикалы, молекулы с нечетным числом электронов, триплетные состояния органических молекул, парамагнитные ионы переходных металлов и их комплексы. Этот метод позволяет исследовать любое парамагнитное вещество. Однако, как мы видели, больщинство веществ не являются парамагнетиками, поскольку электронные спины обычно спарены. [c.511]
В связи с наличием в их структуре заполненных электронных орбиталей атомы и ионы парамагнетиков проявляют и диамагнитные свойства. Поскольку оба эффекта противоположны по знаку, суммарная магнитная восприимчивость вещества будет определяться наибольшим из них. Примерами веществ с ярко выраженными парамагнитными свойствами служат пары щелочных металлов, кислород и оксид азота N0 как в газообразном, так и в жидком состоянии, твердые литий, хром, палладий, а также ряд других металлов. [c.301]
Большинство работ по количественному анализу смесей углеводородов методом. ЯМР С выполнено с применением релаксационных парамагнитных веществ — ацетилацетонатов хрома, железа и т. д. [1, 2, 14, 17]. При добавлении в образец парамагнетиков происходит уменьшение всех ядер и частичное или полное элиминирование ЭО [26—28]. Если всех углеродных ядер не менее 5 с, то можно подобрать концентрацию парамагнетиков [0,3—0,6 моль/л для Сг(асас)з], при которой т] О, 0,1 с для всех ядер углерода, так что возможно получить спектр за удовлетворительное время при т = 5Г — 0,5 с, хотя концентрация углеводородов в растворе при этом должна быть малой ( 50 мг/мл). Для С-ядер о, Т = 0,3 3 с (большинство ядер углерода алифатических фрагментов при М > 300) из-за ограниченной растворимости парамагнитных соединений полностью элиминировать ЭО таким способом не удается [29, 30]. Поэтому, помимо добавки парамагнетиков, используют ранее указанный многоимпульсный режим IGD с а = 90°, т 1 -ь 1,5 с [17, 29, 30]. В дальнейшем эту методику будем называть методикой больших добавок парамагнетиков. Однако при таких концентрациях парамагнетиков сигналы уширяются [c.140]
Вторую группу физических методов исследования радикалов составляют методы, основанные на специфических свойствах частиц с неспаренными электронами. Наличие неспаренного электрона сообщает химической частице постоянный магнитный момент. В неоднородном магнитном поле силы, действующие на образец парамагнитного вещества, стремятся втянуть последний в область максимальной напряженности поля. В отличие от парамагнетиков диамагнитные вещества обладают отрицательным зна- [c.11]
До сих пор речь шла о диамагнитных веществах, в которых отсутствуют неспаренные электроны, и о парамагнитных веществах, где такие электроны есть, но соответствующие им магнитные моменты в отсутствие поля ориентированы беспорядочно. Однако существуют твердые тела, в которых магнитные моменты ориентированы друг относительно друга определенным образом. Это ферромагнитные и антиферромагнитные вещества. К ферромагнитным веществам относятся N1, Со, Ре, некоторые окислы железа, хрома и др. Все ферромагнитные тела разбиты на участки (домены), в каждом из которых магнитные моменты ориентированы параллельно, т. е. и в отсутствие поля каждый домен уже полностью намагничен. Однако весь ферромагнетик в отсутствие поля может быть и не намагничен, так как ориентация доменов в этом случае беспорядочна и магнитные моменты компенсируются. При наложении магнитного поля домены поворачиваются таким образом, что все магнитные моменты устанавливаются параллельно друг другу в направлении поля. Такое коллективное поведение магнитных моментов, приводящее к огромным значениям магнитной восприимчивости (в 10 раз больше, чем у парамагнетиков), характерно именно для ферромагнитных веществ. [c.280]
ПОСТОЯННЫМ магнитным моментом проявляют нормальный парамагнетизм. Так, если парамагнитное вещество помещено во внешнее магнитное поле, отдельные атомы и молекулярные постоянные магнитики будут ориентироваться в направлении поля и притягиваться к нему, что обусловливает положительное значение восприимчивости. Магнитная восприимчивость парамагнетика должна зависеть от температуры, так как тепловое движение способствует нарушению ориентации магнитных диполей. Следовательно, эффективность магнитного поля будет уменьшаться при повышении температуры. Математически эта зависимость выражается законом Кюри или точнее законом Кюри — Вейсса [c.273]
Атомные и ионные системы, содержащие один или несколько неспаренных электронов, характеризуются постоянным магнитным моментом, который обусловлен остаточным спином и угловыми орбитальными моментами неспаренных электронов. Вещества с постоянным магнитным моментом проявляют нормальный парамагнетизм. Так, если парамагнитное вещество помещено во внешнее магнитное поле, отдельные атомы и молекулярные постоянные магнитики будут ориентироваться в направлении поля и притягиваться к нему, что обусловливает положительное значение восприимчивости. Магнитная восприимчивость парамагнетика должна зависеть от температуры, так как тепловое движение способствует нарушению ориентации магнитных диполей. Следовательно, эффективность магнитного поля будет уменьшаться при повышении температуры. Математически эта зависимость выражается законом Кюри или точнее законом Кюри — Вейсса [c.263]
Среди веществ, образованных атомами с ненулевым суммарным спином, имеются, однако, такие, свойства которых сильно отличаются от свойств обычных парамагнитных веществ, и в особенности при низких температурах и слабых полях. Это ферромагнетики и антиферромагнетики. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков очень велика (значительно бо