§ 265. Парамагнетизм

Парамагнитные свойства наблюдаются у вещества в том случае, если атомы, ионы или молекулы, из которых оно построено, обладают магнитным моментом. Магнитный момент вызывается либо некомпенсированными спинами электронов, входящих в атомную систему, либо движением электронов около ядер, либо обеими причинами одновременно.

Как было выяснено ранее (см. стр. 465), магнитный момент спинового происхождения связан с вращательным импульсом формулой

а магнитный момент, обязанный движению электронов около ядра, соотношением

Здесь магнетон Бора, суммарный спиновый импульс и суммарный вращательный импульс для движения около ядра, взятые для атома или молекулы в целом, выражены, как и ранее, в единицах При наличии парамагнетизма, обусловленного обейми причинами, формула магнитного момента атома или молекулы имеет вид

где квантовое число полного вращательного импульса, представляющего собой векторную сумму так называемый фактор Ланде, зависящий от всех трех квантовых чисел. Кстати говоря, близость к I или к 2 (установленная опытом) является превосходным суждением о происхождении магнетизма у данного вещества.

К числу парамагнитных атомов и ионов относятся частицы, имеющие один электрон сверх заполненной оболочки (например, атомы щелочных металлов), атомы переходных элементов, ионы редкоземельных элементов с незаполненными электронными оболочками и т. д.

Как мы говорили, большинство молекул диамагнитно. К парамагнитным молекулам относятся кислород и сера. В виде исключения эти молекулы обладают суммарным спином, равным Магнитный момент, наблюдающийся на опыте, может быть вычислен по формуле

в хорошем совпадении с опытом.

Наличие у молекул парамагнетизма представляет доказательство вхождения в состав молекулы неспаренных электронов. Это обстоятельство делает измерение магнитных свойств молекул крайне интересным для химиков. Парамагнитными свойствами обладают так называемые свободные радикалы — химические соединения с одним неспаренным электроном. Свободные радикалы возникают в ряде случаев во время химических реакций, и измерение магнитной восприимчивости является одним из возможных способов изучения хода химических реакций.

Каким же образом связано значение парамагнитного момента молекулы с магнитной восприимчивостью? В парамагнитных телах, находящихся вне магнитного поля, магнитные моменты распределены беспорядочно по направлениям и суммарный магнитный

момент вещества равняется нулю. При наложении поля атомы (молекулы) будут стремиться повернуться так, чтобы их магнитный момент совпал с направлением поля. В результате устанавливается равновесие между двумя тенденциями: упорядочивающей силой поля и стремлением к тепловому беспорядку. Мы можем полностью применить к этому случаю аналогичные рассуждения, использованные на стр. 630 для вывода значения поляризуемости вещества, составленного из жестких электрических диполей. Поэтому, как и в том случае, связь между магнитным моментом атома (молекулы) и парамагнитной восприимчивостью атома дается выражением

В отличие от диамагнитной восприимчивости парамагнетизм вещества зависит от температуры. Правда, дело обстоит здесь несколько сложнее чем у диэлектриков. Дело в том, что постоянный электрический момент молекулы является константой, в то время как магнитный момент молекулы (атома) может существенно меняться с температурой. Парамагнитный момент связан с квантовыми числами, а распределение молекул по состояниям может весьма сильно зависеть от температуры. Поэтому простой закон: магнитная восприимчивость обратно пропорциональна температуре (закон Кюри), может не соблюдаться для парамагнетиков.