順磁性

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1定義 順磁性的微觀解釋

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)磁矩之間並無強的相互作用(一般為交換作用),因此原子磁矩在熱騷動的影響下處於無規(混亂)排列狀態,原子磁矩互相抵消而無合磁矩。但是當受到外加磁場作用時,這些原來在熱騷動下混亂排列的原子磁矩便同時受到磁場作用使其趨向磁場排列和熱騷動作用使其趨向混亂排列,因此總的效果是在外加磁場方向有一定的磁矩分量。這樣便使磁化率(磁化強度與磁場強度之比)成為正值,但數值也是很小,一般順磁物質的磁化率約為十萬分之一(10-5),並且隨溫度的降低而增 鐵磁流體表現順磁性

大。

鐵磁流體表現順磁性

2種類常見的順磁物質有氧氣、金屬鉑(白金)、氧化、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展起來的順磁微波量子放大器,不但是早期研製和應用的一種超低雜訊的微波放大器,而且也促進了激光器的研究和發明,在生命科學方面,如血紅蛋白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為抗磁性,這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象的一種研究方法;如果目前醫學上有著重要應用的核磁共振成像技術發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)的分佈和變化,這會在生命科學和醫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)

鹼金屬元素和除了鐵、鈷、鎳以外的過渡元素都具有順磁性。[4]在順磁性物質內部,由於原子軌域或分子軌域只含有奇數個電子,會存在有很多未配

超順磁性微滴在超疏水錶面可逆、無損失輸運

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於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,[4]順磁性與溫度相關。由於熱騷動(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N dF3的磁飽和特性

順磁性N dF3的磁化強度溫度特性曲線

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