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顺磁性（一种弱磁性）

次浏览 | 更新时间：2023-05-19

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顺磁性

一种弱磁性

顺磁性是一种弱磁性。当分子轨道或原子轨道上有落单的原子或电子时，就会产生顺磁性。顺磁性物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子（或分子）磁矩之间并无强的相互作用（一般为交换作用），因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规（混乱）排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。

基本信息

中文名	顺磁性
外文名	paramagnetism
学科	电磁学
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

一种弱磁性。从

的关系来看，磁化率

是正的，即磁化强度

的方向与磁场强度

的相同，数量级在室温时一般为

。

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，也就是说具有原子、离子或分子磁矩。但是，这些磁矩之间没有相互作用，或者说，其相互作用与热运动能量相比是可以忽略的，因此，在热运动支配下，磁矩的取向是无规的。只有在外界磁场作用下，按照统计分布，沿磁场方向有一定的磁矩分量。在经典理论中，磁矩在磁场中可取任意方向，由统计力学所得到的磁化强度是

，式中N为单位体积的原子数，

为原子磁矩、

称作朗之万函数，式中

,t为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。若利用量子力学的结果，考虑到磁矩取向是量子化的，则磁化强度为

式中

g为朗德因子，

J为原子总角动量量子数，

为玻尔磁子，

称为布里渊函数，

在通常情况下，温度不很低、磁场不够强时，满足

的条件，朗之万函数或布里渊函数可在原点附近近似展开，而得到磁化强度的表达式为

或

这就是居里定律，它表明磁化率与温度成反比，其中

是居里常数。由居里常数可测定原子的有效磁矩

一般的顺磁体遵从居里－外斯定律，即

式中

C为居里常数，

T为绝对温度，

为一具有温度量纲的常数，反映了磁性原子之间尚有一定的相互作用。

的符号可正可负，由相互作用的性质来决定。

典型的顺磁性气体是

，常见的顺磁体有过渡族金属的盐类、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。

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，这就导致在费密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。传导电子的顺磁性，也叫做泡利顺磁性，特点是与温度无关。

原子核具有磁矩时，在磁场作用下，也会产生顺磁性效应。但是原子核的顺磁磁化率约为

,在一般情况下，可忽略不计。

种类

常见的顺磁物质有氧气、金属铂(白金)、一氧化氮、含掺杂原子的半导体{如

热顺磁性氧气分析仪

掺磷(P)或砷(As)的硅(Si)}、由幅照产生位错和缺陷的物质等。还有含导电电子的金属如锂(Li)、钠(Na)等，这些顺磁(性)金属的顺磁磁化率却与温度无关，这种金属的特殊顺磁性是可以用量子力学解释的。顺磁性虽是一种弱磁性，但也有其重要的应用，例如，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退磁效应可以获得约1-10-3K的超低温度，这是一种产生超低温度的重要方法；在顺磁性和顺磁共振基础上发展起来的顺磁微波量子放大器，不但是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器，而且也促进了激光器的研究和发明，在生命科学方面，如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性，但

顺磁共振波谱仪

在同氧结合后便转变为抗磁性，这两种弱磁性的相互转变就反映了生物体内的氧化和还原过程，因而其磁性研究成为这种重要生命现象的一种研究方法；如果目前医学上有着重要应用的核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以预料利用这一技术便可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，这会在生命科学和医学上得到重要的应用。(另外，某些测氧仪的原理就是利用顺磁性)

碱金属元素和除了铁、钴、镍以外的过渡元素都具有顺磁性。在顺磁性物质内部，由于原子轨域或分子轨域只含有奇数个电子，会存在有很多未配对电子。遵守泡利不相容原理，任何配对电子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配对电子可以自由地将磁矩指向任意方向。当施加外磁场时，这些未配对电子的磁矩趋于与外磁场呈相同方向，从而使磁场更加强烈。假设外磁场被撤除，则顺磁性也会消失无踪。

一般而言，除了金属物质以外，顺磁性与温度相关。由于热骚动（thermal agitation）造成的碰撞会影响磁矩整齐排列，温度越高，顺磁性越微弱；温度越低，顺磁性越强烈。

简而言之：电子自旋产生磁场，分子中有不成对电子时，各单电子平行自旋，磁场加强。这时物质呈顺磁性。

高磁场下顺磁性

的磁饱和特性

顺磁性

的磁化强度温度特性曲线

不同顺磁性(100%纯度)矿粒运动轨迹模拟

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