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为什么顺磁质分子固有磁矩不为零，对外却不显磁性？

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

为什么顺磁质分子固有磁矩不为零，对外却不显磁性？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

顺磁性是指该材料的对磁场响应非常弱，磁化强度与外磁场方向相同的一种性质，通常用磁化率 X来表示，顺磁性物质的X>0（X=M/H，其中M为磁化强度，H为磁场强度），但其数值非常非常小。

顺磁性主要分为三种类型：

（1）自由电子的顺磁性，自由电子来自自旋磁矩的顺磁性，被称为Pauli顺磁性

无磁场时，自由电子气中两种自旋态的电子数目相等，可将能带分为正，负自旋磁矩的两个子带，两种自旋磁矩的电子填充至同一高度EF（如下图a）。在磁场B=u0H的作用下，自旋磁矩平行于B的电子能量下降uBB,而自旋磁矩反平行与B的电子能量上升uBB，两个子带相对错开，达到平衡后两种电子填充至同一高度EF,于是两种自旋磁矩的电子数目不再相等，而从产生于外磁场同向的磁化强度，呈现出顺磁性。

（2）正常顺磁性

物质中的原子或者离子具有固有的磁矩，他们之间的相互作用很弱，相互作用远小于热运动能，，因此不能形成固有磁矩的有序排列，磁矩的取向无规，使材料不能形成自发磁化，在经典理论中，磁矩在磁场中可取任意方向，因此无磁场时uJ的取向是无序的，体系总的磁矩为零，例如许多含有过渡元素或者稀土元素的绝缘体，一些含有稀土元素的合金和自由基化合物。在外磁场的作用下，uJ沿着磁场方向（z轴方向）的投影有（2J+1）种可能，gJuB为原子磁矩沿着磁场方向的最大值，但是其产生的磁矩与很小，这个结果是有Langevin获得的，因此被称为Langevin顺磁理论。

该题目中指出的就是这种类型的顺磁性物质。

（3）当温度超过临界温度时，铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性物质呈现的顺磁性

在铁磁材料中，这个温度一般被称为居里温度（Tc）。当温度上升至Tc时，材料的饱和磁化强度下降为0，铁磁性消失，材料表现出顺磁性。

在在铁磁材料中，这个温度被称为奈耳温度（TN），当温度大于TN是，其呈现顺磁性，其磁化率与温度的关系仍符合Curie-Weiss定律。

亚铁磁性由于其原子的磁矩反平行有序排列，但由于反平行磁矩大小和数量的差异，不能完全抵消，因此宏观上呈现铁磁性的特点，所以存在的临界温度也成为居里温度（Tc）。

回答于 2019-09-11 08:43:50

物质的磁性来源于其内部原子/分子固有磁矩的排列方式，如果它们固有磁矩统统朝同一个方向且大小相同，那么就是铁磁性，也即我们常见的天然磁铁等磁性行为。如果固有磁矩大小相同但是相邻朝向相反，那么就是反铁磁性；如果固有磁矩大小不同但朝向相反，就是亚铁磁性。磁性的排列方式有无数种结构，具体取决于材料的晶体结构，也即原子/分子本身的排列方式，和磁矩之间相互作用的强度。如果固有磁矩排列方式杂乱无章，即形成对称性最高的混乱排列，那么就是顺磁性。此时，给材料施加一个外场，那么就会沿着外场顺应出现磁化效应，即磁化强度，当外场撤掉，系统感应出现的磁性就会消失，在零场下系统不会出现强磁性。

严格来说，顺磁性也是磁性的一种方式，所以说对外不显示磁性是不对的，应该是对外不显示铁磁性而已。这个其实可以类比固体液体气体之间的相变，在固体材料中，原子是具有固定排列方式的，总共就只有14大类晶格和230种空间群排列方式。一旦打破原子之间的固有排列，也即让原子之间的相互作用变弱，那么固体就可能熔化成液体。进而拉开原子/分子距离，让它们之间相互作用进一步削弱，就是气体。这些相变是需要付出能量代价的，也就是为何固体熔化需要吸热的原因。那么，对于固有磁矩而言，如果已经形成铁磁性，要打破它们之间的相互作用，升高温度给系统提供能量是一种最常见的方式，这就是铁磁体的居里点。在居里点温度之上，铁磁系统将相变成为顺磁系统，也就不再具有磁性。对于不同材料，居里点不一样，如果这个材料居里点不存在或者只在低温下才有，那么常温或室温下，就是一个顺磁体，也就是提问中说到的“不显磁性”。