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順磁性（一種弱磁性）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-19

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順磁性

一種弱磁性

順磁性是一種弱磁性。當分子軌道或原子軌道上有落單的原子或電子時，就會產生順磁性。順磁性物質的主要特點是原子或分子中含有沒有完全抵消的電子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子（或分子）磁矩之間并無強的相互作用（一般為交換作用），因此原子磁矩在熱騷動的影響下處于無規(guī)（混亂）排列狀態(tài)，原子磁矩互相抵消而無合磁矩。

基本信息

中文名	順磁性
外文名	paramagnetism
學科	電磁學
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

一種弱磁性。從

的關系來看，磁化率

是正的，即磁化強度

的方向與磁場強度

的相同，數(shù)量級在室溫時一般為

。

從原子結構來看，組成順磁性物體的原子、離子或分子具有未被電子填滿的內殼層，也就是說具有原子、離子或分子磁矩。但是，這些磁矩之間沒有相互作用，或者說，其相互作用與熱運動能量相比是可以忽略的，因此，在熱運動支配下，磁矩的取向是無規(guī)的。只有在外界磁場作用下，按照統(tǒng)計分布，沿磁場方向有一定的磁矩分量。在經典理論中，磁矩在磁場中可取任意方向，由統(tǒng)計力學所得到的磁化強度是

，式中N為單位體積的原子數(shù)，

為原子磁矩、

稱作朗之萬函數(shù)，式中

,t為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。若利用量子力學的結果，考慮到磁矩取向是量子化的，則磁化強度為

式中

g為朗德因子，

J為原子總角動量量子數(shù)，

為玻爾磁子，

稱為布里淵函數(shù)，

在通常情況下，溫度不很低、磁場不夠強時，滿足

的條件，朗之萬函數(shù)或布里淵函數(shù)可在原點附近近似展開，而得到磁化強度的表達式為

或

這就是居里定律，它表明磁化率與溫度成反比，其中

是居里常數(shù)。由居里常數(shù)可測定原子的有效磁矩

一般的順磁體遵從居里－外斯定律，即

式中

C為居里常數(shù)，

T為絕對溫度，

為一具有溫度量綱的常數(shù)，反映了磁性原子之間尚有一定的相互作用。

的符號可正可負，由相互作用的性質來決定。

典型的順磁性氣體是

，常見的順磁體有過渡族金屬的鹽類、稀土金屬的鹽類及氧化物。溫度高于磁轉變溫度時，序磁性（見鐵磁性）物質也呈現(xiàn)為順磁性，如室溫情況下除釓(Gd)以外的稀土金屬。

在磁場作用下，正自旋和負自旋的傳導電子具有不同的能量，這就導致在費密面附近有少量的傳導電子自旋倒向，從而產生微弱的順磁性效應。傳導電子的順磁性，也叫做泡利順磁性，特點是與溫度無關。

原子核具有磁矩時，在磁場作用下，也會產生順磁性效應。但是原子核的順磁磁化率約為

,在一般情況下，可忽略不計。

種類

常見的順磁物質有氧氣、金屬鉑(白金)、一氧化氮、含摻雜原子的半導體{如

熱順磁性氧氣分析儀

摻磷(P)或砷(As)的硅(Si)}、由幅照產生位錯和缺陷的物質等。還有含導電電子的金屬如鋰(Li)、鈉(Na)等，這些順磁(性)金屬的順磁磁化率卻與溫度無關，這種金屬的特殊順磁性是可以用量子力學解釋的。順磁性雖是一種弱磁性，但也有其重要的應用，例如，從順磁物質的順磁性和順磁共振可以研究其結構，特別是電子組態(tài)結構；利用順磁物質的絕熱退磁效應可以獲得約1-10-3K的超低溫度，這是一種產生超低溫度的重要方法；在順磁性和順磁共振基礎上發(fā)展起來的順磁微波量子放大器，不但是早期研制和應用的一種超低噪聲的微波放大器，而且也促進了激光器的研究和發(fā)明，在生命科學方面，如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結合時為順磁性，但

順磁共振波譜儀

在同氧結合后便轉變?yōu)榭勾判裕@兩種弱磁性的相互轉變就反映了生物體內的氧化和還原過程，因而其磁性研究成為這種重要生命現(xiàn)象的一種研究方法；如果目前醫(yī)學上有著重要應用的核磁共振成像技術發(fā)展到電子順磁共振成像技術，可以預料利用這一技術便可顯示生物體內順磁物質(如血紅蛋白和自由基等)的分布和變化，這會在生命科學和醫(yī)學上得到重要的應用。(另外，某些測氧儀的原理就是利用順磁性)

堿金屬元素和除了鐵、鈷、鎳以外的過渡元素都具有順磁性。在順磁性物質內部，由于原子軌域或分子軌域只含有奇數(shù)個電子，會存在有很多未配對電子。遵守泡利不相容原理，任何配對電子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配對電子可以自由地將磁矩指向任意方向。當施加外磁場時，這些未配對電子的磁矩趨于與外磁場呈相同方向，從而使磁場更加強烈。假設外磁場被撤除，則順磁性也會消失無蹤。

一般而言，除了金屬物質以外，順磁性與溫度相關。由于熱騷動（thermal agitation）造成的碰撞會影響磁矩整齊排列，溫度越高，順磁性越微弱；溫度越低，順磁性越強烈。

簡而言之：電子自旋產生磁場，分子中有不成對電子時，各單電子平行自旋，磁場加強。這時物質呈順磁性。

高磁場下順磁性

的磁飽和特性

順磁性

的磁化強度溫度特性曲線

不同順磁性(100%純度)礦粒運動軌跡模擬

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