Zoznam paramagnetických atómov

Paramagnetické druhy sú všade. V správnom prostredí a vyjadrená správne pochmúrnym tónom mohla táto fráza vyvolať obrazy podivných mimozemských votrelcov pobehujúcich po celom svete amok. Namiesto toho je to základné tvrdenie o určitej kvalite, ktorú zdieľa presne definovaná sada častíc na Zemi a o Zemi, a jedno vyjadrenie založené na objektívnych a ľahko stanovených kritériách.

Vo svojom živote ste nepochybne využili magnety a vo väčšine prípadov, keď ste operovali v netriviálnom magnetickom poli, ste o tom nevedeli. Možno dokonca viete, že určité materiály fungujú ako permanentné magnety a že môžu priťahovať kovy, aj keď tieto kovy samy o sebe zjavne nie sú magnetmi. Alebo sú?

Ako to už býva, svet fyziky, konkrétne subdisciplína elektromagnetizmu, obsahuje rôzne druhy magnetizmu. Jedným z nich je paramagnetizmus, a je to vlastnosť, ktorá sa často ľahko overí na pohľad, pretože paramagnetické materiály sú priťahované k externe použitému magnetickému poľu. Ako sa to však stane a odkiaľ vôbec pochádzajú magnetické „polia“? Šanca naučiť sa to všetko a ešte viac by vás mala silno lákať k ďalšiemu čítaniu!

Koncom 17. storočia sa pozorovalo, že ihla kompasu, ktorá smeruje na sever v dôsledku magnetického poľa Zeme, sa dá vychýliť prítomnosťou blízkeho elektrického prúdu.

Toto je prvý známy dôkaz, že elektrina a magnetizmus boli nejako spojené. V skutočnosti pohybujúce sa náboje (čo je definícia elektrického prúdu) vytvárajú magnetické polia s „čiarami“ závislými od geometrie elektrického obvodu.

Keď je drôt vedúci prúd stočený alebo obalený viackrát okolo určitých druhov kovov, to môže indukovať vlastnosť magnetizmu v týchto kovoch, prinajmenšom počas prúdenia aplikovaný. Niektoré z nich sa používajú na miestach, ako sú železné šroty, a sú dostatočne výkonné na to, aby zdvihli celé automobily.

Súhra elektrického prúdu a magnetického poľa je predmet, ktorý môže a skutočne zapĺňa celé učebnice, ale zatiaľ by ste mali vedieť, že dôvodom niektorých materiálov reagujú odlišne na magnetické polia, než majú iné vlastnosti elektrónov v najvyššej („najvzdialenejšej“) energetickej schránke atómov v týchto atómoch materiálov.

Ak je pevná látka umiestnená do aplikovaného magnetického poľa, môžete očakávať, že správanie molekúl v látke bude do istej miery závisieť od stavu materiálu. Toto je plyn, ktorý má molekuly, ktoré sa pohybujú celkom voľne, a a tekutý, v ktorom molekuly zostávajú pohromade, ale môžu sa navzájom kĺzať, sa môžu správať inak ako tuhá látka, ktorej molekuly sú uzamknuté na svojom mieste, zvyčajne v štruktúre mriežkového typu.

Ak si zobrazíte základnú kryštalickú štruktúru pevnej látky (a povaha tohto opakujúceho sa vzoru sa môže líšiť od látky k látke), môžete si predstaviť jadrá atómov byť v stredoch kociek, s elektrónmi zaberajúcimi medzery, bez vibrácií a v prípade kovových pevných látok bez pohybu okolo svojich nespútaných jadrá.

Keď elektróny pevnej látky urobia z látky permanentný magnet alebo z ktorého sa dá taký magnet vyrobiť, látka sa volá feromagnetický (z lat ferrum, význam železo). Okrem železa sú prvky kobalt, nikel a gadolínium feromagnetické.

Väčšina látok však vykazuje iné reakcie na magnetické polia, vďaka čomu je väčšina atómov paramagnetická alebo diamagnetická. Tieto vlastnosti možno nájsť v rôznych stupňoch u rovnakých materiálov a faktory, ako napríklad teplota, môžu ovplyvniť reakciu materiálu na aplikované magnetické pole.

Zvážte troch rôznych priateľov, ktorých ste si vybrali ako kandidátov na otestovanie svojej novej vedeckej hry.

Jedna z nich reaguje iba na vaše nutkanie vyskúšať to tak, že bude na začiatku odolnejšia voči hraniu hier ako ona. Druhý súhlasí s inštaláciou aplikácie a prehrávaním, ale rýchlo prestane hrať a odinštaluje aplikáciu zakaždým, keď ho necháte osamote, iba ju znova nainštaluje a bude hrať, kedykoľvek sa znovu objavíte; a tretí priateľ sa okamžite stane závislým na aplikácii a nikdy prestane to používať.

Takto voľne fungujú tri druhy magnetizmu, ktoré s najväčšou pravdepodobnosťou počujete na večierku v kancelárii. Zatiaľ čo feromagnetizmus, ktorý už bol opísaný, je stavom permanentného magnetizmu, ako sa to stane a aké sú alternatívy?

Ako to tak býva, existujú štyri dobre pochopiteľné alternatívy feromagnetizmu. Paramagnetizmus je opäť vlastnosťou priťahovania k magnetickému poľu a vzťahuje sa na širokú škálu kovov vrátane najmodernejších chladničiek. Diamagnetizmus je opak, tendencia byť odrazená magnetickým poľom. Všetky materiály vykazujú určitý stupeň diamagnetizmu. V obidvoch prípadoch sa materiál kriticky po odstránení poľa vráti do predchádzajúceho stavu.

• Nahlas, „feromagnetizmus“ a „paramagnetizmus“ znejú veľmi podobne, takže pri diskusii na tieto témy vo študijnej skupine fyziky buďte opatrní.

Ferimagnetizmus a antiferomagnetizmus sú menej často sa vyskytujúce typy magnetizmu. Ferimagnetické materiály sa správajú podobne ako feromagnetické materiály a patria medzi ne jacobsit a magnetit. Hematit a troilit sú dve zlúčeniny, ktoré preukazujú antiferomagnetizmus, pri ktorom nevzniká žiadny magnetický moment.

Paramagnetické prvky a paramagnetické molekuly zdieľajú jednu hlavnú vlastnosť a tú majú nespárené elektróny. Čím viac ich je, tým je pravdepodobnejšie, že atóm alebo molekula preukážu paramagnetizmus. Je to tak preto, lebo tieto elektróny sa fixne zarovnávajú s orientáciou aplikovaného magnetického poľa a vytvárajú okolo každého atómu alebo molekuly niečo, čo sa nazýva magnetické dipólové momenty.

Ak poznáte pravidlá „vypĺňania“ elektrónov, viete, že na orbitaly v podškrupinách sa zmestia dva elektróny každý, a že existuje jeden z nich pre podšupku s, tri pre p podšupku a päť pre d subshell. To umožňuje kapacitu dvoch, šiestich a 10 elektrónov v každom subshell, ale tieto sa zaplnia tak, že každý orbitál drží len jeden elektrón čo najdlhšie, kým tam jeden elektrón musí pojať a suseda.

To znamená, že pomocou informácií v periodickej tabuľke prvkov môžete určiť, či bude materiál paramagnetický, a šťastne, či bude slabo paramagnetický (ako v Cl, ktorý má jeden nespárovaný elektrón) alebo silne paramagnetický (ako platina, ktorá má dva nespárené elektróny).

Jedným zo spôsobov, ako kvantifikovať magnetizmus, je volaný parameter magnetická susceptibilita χ_m, čo je bezrozmerná veličina súvisiaca s reakciou materiálu na aplikované magnetické pole. Oxid železa, FeO, má veľmi vysokú hodnotu 720.

Medzi ďalšie materiály považované za silne paramagnetické patrí železito-amónny kamenec (66), urán (40), platina (26), volfrám (6,8), cézium (5,1), hliník (2,2), lítium (1,4) a horčík (1,2), sodík (0,72) a plynný kyslík (0.19).

Tieto hodnoty sa pohybujú v širokom rozmedzí a hodnoty plynného kyslíka sa môžu javiť ako skromné, ale niektoré paramagnetické materiály vykazujú oveľa nižšie hodnoty ako tie, ktoré sú uvedené vyššie. Väčšina tuhých látok pri izbovej teplote má χ_m hodnoty menšie ako 0,00001 alebo 1 x 10^-5.

Náchylnosť, ako môžete čakať, sa dá považovať za zápornú hodnotu, keď je materiál diamagnetický. Príklady zahŕňajú amoniak (- 26), bizmut (- 16,6), ortuť (- 2,9) a uhlík v diamantu (- 2,1).