顺磁性是指有些物质可以受到外部磁场的印象产生同指向的磁场的特性。这样的物质具有正的
磁化率。与顺磁性相反的现象被称为
抗磁性。
原理
顺磁性物质可以被看作是由许多微小的
磁棒组成的,这些磁棒可以旋转,但是无法移动。这样的物质受到外部磁场的影响后其磁棒主要顺
磁力线方向排列,但是这些磁棒互相之间不影响。热振动不断地使得磁棒的方向重新排列,因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。因此磁力线的强度越强顺磁性物质内磁棒的排列性就越强。
以上模型当然只是一个简化的模型。实际上顺磁性物质内部并没有小磁棒,而是微观的
磁矩。在顺磁性物质中这些磁矩互相之间不影响。因此与
铁磁性不同的是在顺磁性物质中外部磁场消失后物质内的磁场立刻就由于热运动消失了。
磁化向量与磁场强度成正比
, 。
物质的磁化率越高,它就越容易被磁化。因此磁化率是衡量顺磁性的强度的量。由于磁化率和相对
磁导率之间有以下简单关系磁导率往往也被看作是衡量顺磁性的量。
假如磁矩之间有
耦合的话物质内就会产生
磁性有序状态,在这种情况下磁化率会非常复杂,因此这样的物质不再是顺磁性的。总的来说这样的物质的磁性有序状态在一个阀温度以上会被破坏,由于无知中依然有磁矩,因此在这个温度以上这样的物质呈顺磁性。
铁磁性物质均拥有极大的磁化率,但是大的磁化率不一定就说明一个物质是铁磁性的。
分类
从经典物理学出发物质的顺磁性无法完全被解释,只有从
量子力学出发这个特征才能被完全理解。对于磁学最重要的认识是一个
原子状态的总
角动量总是与其磁矩相连的: : 在这里是
电子自旋g因子,是
玻尔磁子。原子的总角动量由以下三部分组成:
- 自旋
- 电子的角量子数
- 核子的核自旋。
核自旋导致的磁矩非常弱,对磁化率基本上没有多少作用,因此这个量一般不被顾及,不过这个量还是可以被测量得到的,
医学中使用的
核磁共振成像就是测量这个量获得的。
以下各个因素均对磁化率有重要的作用。在物质内也总是有
抗磁性的因素存在,因此一个物质最终是否是顺磁性要看所有因素的总和。但是原子在基态下的磁矩所提供的顺磁性一般来说是最大的。假如一个物质的原子在基态下其磁矩呈顺磁性,则一般这个物质是顺磁性的。
原子基态下的磁矩
一个原子在
基态下的总角动量可以通过
洪德定则来理论确定。最重要的规则是一个完全饱和和除一个电子外半饱和的电子层的总角动量为零。在其它情况下原子拥有一个磁矩。
居里定律描写这个量与温度之间的关系 : 是
居里常数。
自由电子的磁矩
在
金属中电子实际上可以自由运动。理论上所有的电子都有其自己的磁矩,但是出于
泡利不相容原理只有可以自由运动的电子才能够在将它们的磁矩指向磁场方向,这样的电子的数量与成正比,其中是
费米温度: : 精确的计算显示它还随外部磁场强度而变化。
原子受激态的磁矩
在
受激态下即使在即态总角动量为零的原子也可能获得角动量。由于在绝对零度以上物质中总是有基态以上的原子,因此在所有物质中均有一定的原子角动量。但是只有在分子晶体中这个量才会达到一定的大小。在有些物质中它甚至会强于基态的磁矩。要计算
分子中的受激态的磁矩很困难。