Lista över paramagnetiska atomer

Paramagnetiska arter finns överallt. I rätt inställning, och uttryckt i en ordentlig dyster ton, kunde den frasen kalla bilder av konstiga främmande inkräktare som kör amok över hela världen. Istället är det ett grundläggande uttalande om en viss kvalitet som delas av en väldefinierad uppsättning partiklar på och om jorden, och en definierad med hjälp av objektiva och lätt bestämbara kriterier.

Du har utan tvekan använt magneter i ditt liv, och i de flesta fall har du arbetat inom ett icke-trivialt magnetfält, du har inte varit medveten om det. Du kanske till och med vet att vissa material fungerar som permanentmagneter, och att dessa kan locka metaller även om dessa metaller inte i sig är magneter. Eller är de det?

När det händer inkluderar fysikvärlden, speciellt underdisciplinen av elektromagnetism, en mängd olika typer av magnetism. En av dessa är paramagnetism, och det är en egenskap som ofta lätt kan verifieras vid syn, eftersom paramagnetiska material lockas till ett externt applicerat magnetfält. Men hur händer detta, och varifrån kommer magnetiska "fält"? Chansen att lära dig allt detta och mer borde starkt dra dig att fortsätta läsa!

I slutet av 1700-talet observerades att en kompassnål, som pekar mot norr som ett resultat av jordens magnetfält, kan böjas av närvaron av en närliggande elektrisk ström.

Detta är det första kända beviset för att elektricitet och magnetism på något sätt var anslutna. I själva verket genererar rörliga laddningar (vilket är definitionen av elektrisk ström) magnetfält med "linjer" beroende på den elektriska kretsens geometri.

När en strömbärande tråd lindas, eller lindas flera gånger, runt vissa typer av metall, detta kan inducera magnetismens egenskaper i dessa metaller, åtminstone medan strömmen är applicerad. Några av dessa används på platser som skrotgårdar och är tillräckligt kraftfulla för att lyfta hela bilar.

Samspelet mellan elektrisk ström och magnetfält är ett ämne som kan och fyller hela läroböcker, men för tillfället bör du veta att anledningen till att vissa material reagerar annorlunda på magnetfält än andra har att göra med elektronernas egenskaper i det högsta ("yttersta") energiskalet av atomerna i dessa material.

Om en fast substans placeras i ett applicerat magnetfält kan du förvänta dig att molekylernas beteende i ämnet beror till viss del på materialets tillstånd. Det är en gas, som har molekyler som rör sig ganska fritt, och a flytande, där molekyler förblir tillsammans men är fria att glida förbi varandra, kan bete sig annorlunda än ett fast ämne, vars molekyler är låsta på plats, vanligtvis i en gitterstruktur.

Om du föreställer en fast substans grundläggande kristallstruktur (och naturen hos detta upprepande mönster kan variera från substans till substans) kan du föreställa dig atomernas kärnor befinner sig i kubernas centrum, med elektronerna som upptar utrymmen däremellan, fria att vibrera och, när det gäller metallfasta ämnen, fria att ströva omkring okedjade för sin förälder kärnor.

När elektronerna i ett fast ämne gör substansen till en permanentmagnet eller en som kan göras till en sådan magnet kallas substansen ferromagnetisk (från latin ferrum, vilket betyder järn). Förutom järn är elementen kobolt, nickel och gadolinium ferromagnetiska.

De flesta ämnen uppvisar dock andra svar på magnetfält, vilket gör de flesta atomer paramagnetiska eller diamagnetiska. Dessa egenskaper kan hittas i olika grad i samma material, och faktorer som temperatur kan påverka materialets respons på applicerade magnetfält.

Tänk på tre olika vänner som du har valt som kandidater för att testa din nya science-app.

En av dem svarar bara på dina uppmaningar att prova genom att bli mer motståndskraftig än hon var mot att spela i början. Den andra går med på att installera appen och spela, men slutar snabbt spela och avinstallerar appen varje gång du lämnar honom ensam, bara för att installera om den och fortsätta spela när du dyker upp igen; och den tredje kompisen blir omedelbart ansluten till appen och aldrig slutar använda den.

Det är löst hur de tre typerna av magnetism du troligtvis kommer att höra om på kontorspartiet fungerar i förhållande till varandra. Medan ferromagnetism, som redan beskrivits, är ett tillstånd av permanent magnetism, hur händer detta och vilka är alternativen?

När det händer finns det fyra välkända alternativ till ferromagnetism. Paramagnetism är återigen egenskapen att lockas till ett magnetfält och gäller ett brett spektrum av metaller, inklusive de flesta moderna kylskåp. Diamagnetism är motsatsen, en tendens att avvisas av ett magnetfält. Alla material uppvisar viss grad av diamagnetism. I båda fallen återgår materialet kritiskt till sitt tidigare tillstånd när fältet tas bort.

• Högt talat, "ferromagnetism" och "paramagnetism" låter mycket lika, så var försiktig när du diskuterar dessa ämnen i din fysikstudiegrupp.

Ferrimagnetism och antiferromagnetism är mindre vanliga typer av magnetism. Ferrimagnetiska material beter sig som ferromagnetiska material och inkluderar jacobsit och magnetit. Hematit och troilit är två föreningar som visar antiferromagnetism, där inget magnetiskt moment genereras.

Paramagnetiska element och paramagnetiska molekyler delar ett huvudegenskap och det har oparade elektroner. Ju fler av dessa det finns, desto mer sannolikt är atomen eller molekylen att visa paramagnetism. Detta beror på att dessa elektroner inriktar sig på ett fast sätt med orienteringen av ett applicerat magnetfält, vilket skapar något som kallas magnetiska dipolmoment runt varje atom eller molekyl.

Om du är bekant med elektronfyllningsregler vet du att orbitaler i underskal kan innehålla två elektroner vardera, och att det finns en av dessa för en s subshell, tre för en p subshell och fem för en d subshell. Detta möjliggör en kapacitet på två, sex och tio elektroner i varje subshell, men dessa kommer att fyllas så att var och en orbital håller bara en elektron så länge som möjligt tills den elektron där måste rymma en granne.

Detta innebär att du kan använda informationen i en periodisk tabell över elementen för att avgöra om ett material kommer att vara paramagnetiskt och gärna det kommer att vara svagt paramagnetiskt (som i Cl, som har en oparad elektron) eller starkt paramagnetisk (som platina, som har två oparade elektroner).

Ett sätt att kvantifiera magnetism är genom parametern som kallas magnetisk känslighet χ_m, som är en måttlös kvantitet som relaterar ett materials svar till ett applicerat magnetfält. Järnoxid, FeO, har ett mycket högt värde på 720.

Andra material som anses vara starkt paramagnetiska inkluderar järnammoniumalum (66), uran (40), platina (26), volfram (6,8), cesium (5,1), aluminium (2,2), litium (1,4) och magnesium (1,2), natrium (0,72) och syrgas (0.19).

Dessa värden sträcker sig mycket och syrgas kan verka blygsamma, men vissa paramagnetiska material visar mycket mindre värden än de som anges ovan. De flesta fasta ämnen vid rumstemperatur har χ_m värden mindre än 0,00001 eller 1 x 10^-5.

Känsligheten, som du förväntar dig, ges som ett negativt värde när materialet är diamagnetiskt. Exempel inkluderar ammoniak (−.26) vismut (−16.6) kvicksilver (−2.9) och kolet i diamant (−2.1).