Elenco degli atomi paramagnetici

Le specie paramagnetiche sono ovunque. Nella giusta ambientazione, e espressa in un tono adeguatamente cupo, quella frase potrebbe evocare immagini di strani invasori alieni che si scatenano in tutto il mondo. Invece, è un'affermazione di base su una certa qualità condivisa da un insieme ben definito di particelle sulla e intorno alla Terra, e una definita usando criteri oggettivi e facilmente determinabili.

Senza dubbio hai fatto uso di magneti nella tua vita, e nella maggior parte dei casi in cui hai operato all'interno di un campo magnetico non banale, non te ne sei reso conto. Potresti anche sapere che alcuni materiali funzionano come magneti permanenti e che questi possono attrarre metalli anche se quei metalli non sono apparentemente magneti. O lo sono?

Si dà il caso che il mondo della fisica, in particolare la sottodisciplina dell'elettromagnetismo, includa una varietà di tipi di magnetismo. Uno di questi è paramagnetismo, ed è una proprietà spesso facilmente verificabile a vista, perché i materiali paramagnetici sono attratti da un campo magnetico applicato esternamente. Ma come avviene questo, e comunque da dove vengono i "campi" magnetici? La possibilità di imparare tutto questo e altro dovrebbe spingerti a continuare a leggere!

Alla fine del 1700 fu osservato che l'ago di una bussola, che punta verso nord a causa del campo magnetico terrestre, può essere deviato dalla presenza di una corrente elettrica vicina.

Questa è la prima prova nota che elettricità e magnetismo fossero in qualche modo collegati. Infatti le cariche in movimento (che è la definizione di corrente elettrica) generano campi magnetici con "linee" dipendenti dalla geometria del circuito elettrico.

Quando un filo percorso da corrente viene avvolto o avvolto più volte attorno a determinati tipi di metallo, questo può indurre la proprietà del magnetismo in questi metalli, almeno mentre è in corso la corrente applicato. Alcuni di questi sono utilizzati in luoghi come depositi di rottami metallici e sono abbastanza potenti da sollevare intere automobili.

L'interazione tra corrente elettrica e campi magnetici è un argomento che può e riempie interi libri di testo, ma per ora dovresti sapere che il motivo per cui alcuni materiali rispondono in modo diverso ai campi magnetici rispetto ad altri ha a che fare con le proprietà degli elettroni nel guscio energetico più alto ("più esterno") degli atomi in quelli materiali.

Se una sostanza solida viene posta in un campo magnetico applicato, ci si potrebbe aspettare che il comportamento delle molecole nella sostanza dipenda in una certa misura dallo stato del materiale. Cioè un gas, che ha molecole che si muovono abbastanza liberamente, e a liquido, in cui le molecole rimangono insieme ma sono libere di scorrere l'una sull'altra, potrebbe comportarsi diversamente da un solido, le cui molecole sono bloccate in posizione, solitamente in una struttura di tipo reticolare.

Se immagini la struttura cristallina di base di un solido (e la natura di questo schema ripetitivo può variare da sostanza a sostanza), puoi immaginare i nuclei degli atomi essendo al centro dei cubi, con gli elettroni che occupano spazi intermedi, liberi di vibrare e, nel caso di solidi metallici, liberi di vagare liberi dal loro genitore nuclei.

Quando gli elettroni di un solido rendono la sostanza un magnete permanente o uno che può essere trasformato in un tale magnete, la sostanza è chiamata ferromagnetico (dal latino ferro, significa ferro). Oltre al ferro, gli elementi cobalto, nichel e gadolinio sono ferromagnetici.

La maggior parte delle sostanze, tuttavia, mostra altre risposte ai campi magnetici, rendendo la maggior parte degli atomi paramagnetici o diamagnetici. Queste proprietà possono essere trovate in gradi diversi negli stessi materiali e fattori come la temperatura possono influenzare la risposta di un materiale ai campi magnetici applicati.

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Questo è vagamente il modo in cui i tre tipi di magnetismo di cui è più probabile sentire parlare alla festa in ufficio funzionano in relazione l'uno con l'altro. Mentre il ferromagnetismo, già descritto, è uno stato di magnetismo permanente, come avviene e quali sono le alternative?

Si dà il caso che ci siano quattro alternative ben comprese al ferromagnetismo. Il paramagnetismo, ancora, è la proprietà di essere attratti da un campo magnetico e si applica a una vasta gamma di metalli, inclusi i frigoriferi più moderni. Il diamagnetismo è l'opposto, una tendenza a essere respinti da un campo magnetico. Tutti i materiali mostrano un certo grado di diamagnetismo. In entrambi i casi, criticamente, il materiale ritorna al suo stato precedente quando il campo viene rimosso.

• Detto ad alta voce, "ferromagnetismo" e "paramagnetismo" suonano molto simili, quindi fai attenzione quando discuti di questi argomenti nel tuo gruppo di studio di fisica.

ferrimagnetismo e antiferromagnetismo sono tipi di magnetismo meno comuni. I materiali ferrimagnetici si comportano in modo molto simile ai materiali ferromagnetici e includono jacobsite e magnetite. L'ematite e la troilite sono due composti che dimostrano antiferromagnetismo, in cui non viene generato alcun momento magnetico.

Gli elementi paramagnetici e le molecole paramagnetiche condividono un tratto principale e cioè avere elettroni spaiati. Più di questi ci sono, più è probabile che l'atomo o la molecola mostri il paramagnetismo. Questo perché questi elettroni si allineano in modo fisso con l'orientamento di un campo magnetico applicato, creando qualcosa chiamato momenti di dipolo magnetico attorno a ciascun atomo o molecola.

Se hai familiarità con le regole di "riempimento" degli elettroni, sai che gli orbitali all'interno dei subshell possono contenere due elettroni ciascuno, e che ce n'è uno per un subshell s, tre per un subshell p e cinque per un d sottoscala. Ciò consente una capacità di due, sei e 10 elettroni in ogni subshell, ma questi si riempiranno in modo che ciascuno l'orbitale trattiene un solo elettrone il più a lungo possibile fino a quando l'unico elettrone lì deve ospitare a vicino.

Ciò significa che è possibile utilizzare le informazioni in una tavola periodica degli elementi per determinare se un materiale sarà paramagnetico e, fortunatamente, se sarà debolmente paramagnetico (come in Cl, che ha un elettrone spaiato) o fortemente paramagnetico (come il platino, che ha due elettroni spaiati).

Un modo per quantificare il magnetismo è attraverso il parametro chiamato suscettibilità magnetica χ_m, che è una quantità adimensionale che mette in relazione la risposta di un materiale a un campo magnetico applicato. L'ossido di ferro, FeO, ha un valore molto alto di 720.

Altri materiali considerati fortemente paramagnetici includono ferro ammonio allume (66), uranio (40), platino (26), tungsteno (6.8), cesio (5.1), alluminio (2.2), litio (1.4) e magnesio (1.2), sodio (0.72) e ossigeno gassoso (0.19).

Questi valori variano ampiamente e quello dell'ossigeno gassoso può sembrare modesto, ma alcuni materiali paramagnetici mostrano valori molto inferiori a quelli sopra elencati. La maggior parte dei solidi a temperatura ambiente ha χ_m valori inferiori a 0,00001 o 1 x 10^-5.

La suscettibilità, come ci si potrebbe aspettare, è data come valore negativo quando il materiale è diamagnetico. Gli esempi includono l'ammoniaca (−.26) il bismuto (−16,6), il mercurio (−2,9) e il carbonio nel diamante (−2.1).