Paramagnetické druhy jsou všude. Ve správném prostředí a vyjádřeném správně pochmurným tónem mohla tato fráze vyvolat obrazy podivných mimozemských útočníků pobíhajících amoků po celé planetě. Místo toho se jedná o základní tvrzení o určité kvalitě sdílené dobře definovanou sadou částic na Zemi a o ní a definovanou pomocí objektivních a snadno stanovených kritérií.
Ve svém životě jste bezpochyby využili magnety a ve většině případů, kdy jste pracovali v netriviálním magnetickém poli, jste o tom nevěděli. Možná dokonce víte, že určité materiály fungují jako permanentní magnety a že mohou přitahovat kovy, i když tyto kovy samy o sobě zjevně nejsou magnety. Nebo jsou?
Svět fyziky, konkrétně subdisciplína elektromagnetismu, zahrnuje různé druhy magnetismu. Jedním z nich je paramagnetismus, a je to vlastnost, kterou lze snadno snadno ověřit na pohled, protože paramagnetické materiály jsou přitahovány k externě aplikovanému magnetickému poli. Jak se to ale stane a odkud vlastně pocházejí magnetická „pole“? Příležitost naučit se všechno a ještě víc by vás měla silně přitahovat k dalšímu čtení!
Co je magnetismus?
Na konci 17. století bylo pozorováno, že jehla kompasu, která ukazuje na sever v důsledku magnetického pole Země, může být odkloněna přítomností blízkého elektrického proudu.
Toto je první známý důkaz, že elektřina a magnetismus byly nějakým způsobem propojeny. Pohyblivé náboje (což je definice elektrického proudu) ve skutečnosti generují magnetická pole s „čarami“ závislými na geometrii elektrického obvodu.
Když je vodič pro vedení proudu svinut nebo několikrát ovinut kolem určitých druhů kovů, to může vyvolat vlastnost magnetismu v těchto kovech, přinejmenším během proudu aplikovaný. Některé z nich se používají na místech, jako jsou železné šroty, a jsou dostatečně silné, aby zvedly celé automobily.
Souhra elektrického proudu a magnetických polí je předmět, který může a skutečně vyplňuje celé učebnice, ale prozatím byste měli vědět, že důvodem některých materiálů reagují odlišně na magnetická pole, než ostatní mají co do činění s vlastnostmi elektronů v nejvyšší („nejvzdálenější“) energetické vrstvě atomů v těchto materiály.
Magnetizace pevných látek
Pokud je pevná látka umístěna do aplikovaného magnetického pole, můžete očekávat, že chování molekul v látce bude do určité míry záviset na stavu materiálu. To znamená, že plyn, který má molekuly, které se pohybují docela volně, a a kapalný, ve kterém molekuly zůstávají pohromadě, ale mohou volně klouzat kolem sebe, se mohou chovat jinak než pevná látka, jejíž molekuly jsou uzamčeny na svém místě, obvykle ve struktuře mřížového typu.
Pokud si představíte základní krystalovou strukturu tělesa (a povaha tohoto opakujícího se vzoru se může lišit od látky k látce), můžete si představit jádra atomů být ve středech kostek, s elektrony zabírajícími mezery mezi nimi, volně vibrovat a v případě kovových pevných látek volně bloudit bez svázání s rodiči jádra.
Když elektrony pevné látky způsobí, že se látka stane permanentním magnetem nebo magnetem, z něhož lze takový magnet vytvořit, je látka nazývána feromagnetický (z latiny ferrum, což znamená železo). Kromě železa jsou feromagnetické prvky kobalt, nikl a gadolinium.
Většina látek však vykazuje jiné reakce na magnetická pole, což činí většinu atomů paramagnetickými nebo diamagnetickými. Tyto vlastnosti lze nalézt v různých stupních u stejných materiálů a faktory, jako je teplota, mohou ovlivnit reakci materiálu na aplikovaná magnetická pole.
Srovnání diamagnetismu, paramagnetismu a feromagnetismu
Zvažte tři různé přátele, které jste si vybrali jako kandidáty, abyste otestovali svou novou vědeckou herní aplikaci.
Jedna z nich reaguje pouze na vaše nutkání zkusit to tím, že bude odolnější než ona ve hře na začátku. Druhý souhlasí s instalací aplikace a přehráváním, ale rychle přestane hrát a odinstaluje aplikaci pokaždé, když ho necháte osamoceně, pouze ji znovu nainstalovat a hrát, kdykoli se znovu objeví; a třetí přítel se okamžitě stane závislým na aplikaci a nikdy přestane to používat.
Takhle volně fungují tři druhy magnetismu, o kterých s největší pravděpodobností uslyšíte na kancelářském večírku. Zatímco již popsaný feromagnetismus je stavem permanentního magnetismu, jak k tomu dochází a jaké jsou alternativy?
Jak se to stane, existují čtyři dobře srozumitelné alternativy k feromagnetismu. Paramagnetismus je opět vlastnost přitahována magnetickým polem a vztahuje se na širokou škálu kovů, včetně většiny moderních ledniček. Diamagnetismus je opak, tendence být odpuzována magnetickým polem. Všechny materiály vykazují určitý stupeň diamagnetismu. V obou případech se materiál po odebrání pole kriticky vrátí do předchozího stavu.
- Nahlas, „feromagnetismus“ a „paramagnetismus“ zní hodně podobně, proto buďte při diskusi o těchto tématech ve studijní skupině fyziky opatrní.
Ferimagnetismus a antiferromagnetism jsou méně často se vyskytující typy magnetismu. Ferrimagnetické materiály se chovají podobně jako feromagnetické materiály a zahrnují jacobsit a magnetit. Hematit a troilit jsou dvě sloučeniny, které prokazují antiferomagnetismus, kde nevzniká žádný magnetický moment.
Charakteristiky paramagnetických sloučenin a atomů
Paramagnetické prvky a paramagnetické molekuly sdílejí jeden hlavní rys, který má nepárové elektrony. Čím více jich je, tím větší je pravděpodobnost, že atom nebo molekula bude vykazovat paramagnetismus. Je to proto, že se tyto elektrony pevně srovnávají s orientací aplikovaného magnetického pole a kolem každého atomu nebo molekuly vytvářejí něco, čemu se říká magnetické dipólové momenty.
Pokud jste obeznámeni s pravidly „elektronového plnění“, víte, že na orbitaly v dílčích skořápkách mohou být dvě elektrony každý, a že existuje jeden z nich pro s subshell, tři pro p subshell a pět pro d subshell. To umožňuje kapacitu dvou, šesti a 10 elektronů v každém subshell, ale ty se zaplní tak, že každý orbitál drží jen jeden elektron tak dlouho, jak je to možné, dokud tam jeden elektron nemusí pojmout a soused.
To znamená, že můžete použít informace v periodické tabulce prvků k určení, zda bude materiál paramagnetický, a šťastně, zda bude slabě paramagnetický (jako v Cl, který má jeden nepárový elektron) nebo silně paramagnetický (jako platina, která má dva nepárové elektrony).
Seznam diamagnetických a paramagnetických atomů a molekul
Jedním ze způsobů, jak kvantifikovat magnetismus, je volaný parametr magnetická susceptibilita χm, což je bezrozměrná veličina vztahující se k odezvě materiálu na aplikované magnetické pole. Oxid železa, FeO, má velmi vysokou hodnotu 720.
Mezi další materiály považované za silně paramagnetické patří kamenec železo-amonný (66), uran (40), platina (26), wolfram (6,8), cesium (5,1), hliník (2,2), lithium (1,4) a hořčík (1,2), sodík (0,72) a plynný kyslík (0.19).
Tyto hodnoty se pohybují v širokém rozmezí a hodnoty kyslíkového plynu se mohou zdát skromné, ale některé paramagnetické materiály vykazují mnohem menší hodnoty než ty, které jsou uvedeny výše. Většina pevných látek při pokojové teplotě má χm hodnoty menší než 0,00001 nebo 1 x 10-5.
Citlivost, jak můžete očekávat, je dána jako záporná hodnota, když je materiál diamagnetický. Jako příklady lze uvést amoniak (−26) bismut (−16,6) rtuť (−2,9) a uhlík v diamantu (−2,1).