Парамагнетик
Парамагне́тик, вещество, намагничивающееся во внешнем магнитном поле в направлении поля, но не обладающее магнитным упорядочением. В парамагнетиках парамагнетизм преобладает над диамагнетизмом. При помещении парамагнетика во внешнее неоднородное магнитное поле он втягивается в область более сильного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам; их парамагнитная восприимчивость положительна и мала (порядка 10–3–10–5). В слабом магнитном поле и при не очень низкой температуре [т. е. вдали от условий магнитного насыщения или проявления осцилляционных эффектов (см. Эффект де Хааза – ван Альвена)] восприимчивость парамагнетика не зависит от величины напряжённости поля. К классическим (ланжевеновским) парамагнетикам, температурная зависимость которых описывается законом Кюри, относятся все газы, атомы или ионы которых обладают отличным от нуля результирующим магнитным моментом (например, щелочные или переходные металлы в газообразном состоянии, , , , , ).
Парамагнетиками являются жидкие растворы солей переходных и редкоземельных металлов, а также кристаллы соединений этих элементов, обладающие ионной и неполярной связями, при условии, что магнитно-активные ионы слабо взаимодействуют друг с другом и их ближайшее окружение в конденсированной фазе слабо влияет на их парамагнетизм. Типичными представителями этого класса парамагнетиков являются гидратированные соли редкоземельных элементов – например, , . Их магнитные свойства определяются магнитными моментами незаполненной 4f-оболочки, которая экранирована от взаимодействия с соседними атомами, заполненными внешними 5s- и 5p-оболочками ионов.
В парамагнитных диэлектрических соединениях переходных металлов группы , и [например, , KCr(SO4)2·12H2O] может наблюдаться т. н. замораживание орбитального момента атомов внутрикристаллическим полем. Электроны незаполненных 3d-, 4d- и 5d-оболочек атомов переходных металлов менее экранированы, чем электроны 4f-оболочки, и внутрикристаллическое поле может частично или полностью снимать вырождение основного энергетического уровня магнитного иона. Тогда средние значения проекций орбитального момента электронов на любую ось становятся равными нулю; таким образом, в формировании магнитного момента иона принимает участие только спин иона. Согласно теореме Крамерса, у атомов (ионов) с полуцелым значением спина всегда остаётся по крайней мере двукратное вырождение, снимаемое только во внешнем магнитном поле. В этом случае парамагнитная восприимчивость будет подчиняться закону Кюри. Спин-орбитальное взаимодействие может частично снимать «замораживание» орбитального момента.
Вещества, содержащие парамагнитные ионы с синглетным основным состоянием (, , , , , ), относятся к поляризационным, или ванфлековским, парамагнетикам (например, интерметаллические соединения , , ). Их парамагнитная восприимчивость не зависит от температуры.
Большинство непереходных металлов (все щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, за исключением и , а также сплавы этих металлов) проявляют парамагнетизм Паули. К паулиевским парамагнетикам относятся также переходные металлы и их сплавы, например , , , , , восприимчивость которых даже при комнатной температуре обычно на 1–2 порядка больше, чем у непереходных металлов. Для некоторых переходных металлов уменьшение магнитной восприимчивости с ростом температуры следует закону Кюри – Вейса, для других (например, , ) – отклоняется от этого закона, а, например, для , наоборот, восприимчивость растёт с увеличением температуры. В общем случае температурные зависимости восприимчивости переходных металлов и их сплавов весьма разнообразны и сложны.
Парамагнитными свойствами обладает ряд органических соединений, например стабильные нитроксильные радикалы (). Их применяют в качестве спиновых меток и парамагнитных зондов в экологии и медицине.
Парамагнетиками становятся все ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах выше температуры фазового перехода в парамагнитное состояние.
Существуют также ядерные парамагнетики, например при сверхнизких температурах температурах (< 0,1 К).
Парамагнетики применяют в магнитном охлаждении до сверхнизких температур, в квантовой электронике и при исследовании веществ (см. Электронный парамагнитный резонанс, Ядерный магнитный резонанс).