(от пара (См. Пара...)
... и Магнетизм)
свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать
Магнитный момент)
в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности (См.
Намагниченность)
J. В этом отношении П. противоположен
Диамагнетизму, при котором возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внешнего магнитного поля
Н.
Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда название "П."), а диамагнитные - отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также
Ферромагнетики и
Антиферромагнетики. Однако в отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (См.
Магнитная структура) (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при
Н = 0 ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру. Термин "П." ввёл в 1845 М.
Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. характерен для веществ, частицы которого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов) обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что
J = 0. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля по закону
J = χ Н, где χ
- Магнитная восприимчивость 1
моля вещества, для парамагнетиков всегда положительная и обычно равная по порядку величины 10
-5 - 10
-3. Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением температуры
Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц и магнитная восприимчивость убывает - в простейшем случае по
Кюри закону
χ =
С/Т (
С - постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри (см.
Кюри - Вейса закон) в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллического поля). П. свойствен: многим чистым элементам в металлическом состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, некоторые металлы переходных групп с незаполненным
d-слоем или
f-слоем электронной оболочки - группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов, актиноидов (См.
Актиноиды); а также сплавы этих металлов); солям группы железа, группы редкоземельных элементов от Ce до Yb и актиноидов и их водным растворам; парам щелочных металлов и молекулам газов (например, O
2 и NO); небольшому числу органических молекул ("бирадикалам"); ряду комплексных соединений (См.
Комплексные соединения). Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).
Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих П. веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный П.), со спиновым моментом самих электронов (спиновый П.), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный П.). Магнитные моменты атомов, ионов, молекул создаются в основном спиновыми и орбитальными моментами их электронных оболочек. Они примерно в тысячу раз превосходят магнитные моменты атомных ядер (см.
Магнетон). П. металлов слагается в основном из П., свойственного электронам проводимости (так называемый парамагнетизм Паули), и П. электронных оболочек атомов (ионов) кристаллической решётки металла. Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении температуры, П., обусловленный электронами проводимости, от температуры не зависит. Поэтому, например, щелочные и щёлочноземельные металлы, у которых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а П. обусловлен исключительно электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры. В тех веществах, у которых нет электронов проводимости и магнитным моментом обладает лишь ядро (например, у изотопа гелия
3He), П. крайне мал (χПарамагнет
изм10
-9-10
-12) и может наблюдаться лишь при сверхнизких температурах (
Т < 0,1К). Парамагнитная восприимчивость диэлектриков (См.
Диэлектрики), согласно классической теории П.
Ланжевена
(1906), определяется формулой χ
= Nμa2/3kT, где
N - число магнитных атомов в 1
моле вещества, μ
a - магнитный момент атома, к -
Больцмана постоянная. Эта формула была получена методами статистической физики для системы практически не взаимодействующих атомов, находящихся в слабом магнитном поле или при высокой температуре (когда μ
аН << kT)
. Она даёт теоретическое объяснение
Кюри закону. В сильных магнитных полях или при низких температурах μ
aH >>
kT) намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к
Nμa2(к насыщению). Квантовая теория П., учитывающая
Квантование пространственное момента μ
а (Л.
Бриллюэн, 1926), даёт аналогичное выражение для восприимчивости (диэлектриков (при μ
aH << kT)
: χ
=NJ (
J + 1)μ
а2g
j2/3
кТ, где
J - квантовое число (См.
Квантовые числа)
, определяющее полный момент количества движения атома,
gj -
Ланде множитель. Парамагнитная восприимчивость полупроводников (См.
Полупроводники) χ
пэ, обусловленная электронами проводимости, в простейшем случае зависит от температуры
Т экспоненциально
χ
пэ=
АТ1/2 exp (-Δ
E/2
kT), где
А - константа вещества, Δ
Е - ширина запрещенной зоны (См.
Запрещённая зона) полупроводника. Особенности индивидуального строения полупроводников сильно искажают эту зависимость. В простейшем случае для металлов (См.
Металлы) (без учёта
Ландау диамагнетизма и взаимодействия электронов) χ
мэ =
3Nμ2э/2Eo, где
Eo -
Ферми энергия,
μэ - магнитный момент электрона (χ
мэ не зависит от температуры). Ядерный П. при отсутствии сильного взаимодействия между
Спинами ядер и электронными оболочками атомов характеризуется величиной χ
я =
Nμ2я \3kT, которая приблизительно в 10
6 раз меньше электронной парамагнитной восприимчивости (μ
эПарамагнет
изм10
3 μ
я). Изучение П. различных веществ, а также электронного парамагнитного резонанса (См.
Электронный парамагнитный резонанс) (резонансного поглощения парамагнетиками энергии электромагнитного поля) позволяет определять магнитные моменты отдельных атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение сложных молекул и молекулярных комплексов, а также осуществлять тонкий структурный анализ материалов, применяемых в технике. В физике парамагнитные вещества используют для получения сверхнизких температур (ниже 1 К, см.
Магнитное охлаждение)
. Историю развития учения о П. см. в ст.
Магнетизм.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973; его же, Магнетизм, М., 1971; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Абрагам А., Ядерный магнетизм. пер. с англ., М., 1963; Киттель Ч., Введение в физику твёрдого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1963; Физика магнитных диэлектриков, Л., 1974.
Я. Г. Дорфман.