По модели энергетических зон, твердые тела, у которых все зоны либо полностью заполнены, либо совершенно свободны (что имеет место в диэлектриках), должны обладать диамагнитными свойствами. Изменение диамагнитных свойств таких веществ, как соли типа NaCl - соли с ионами, имеющими заполненные электронные оболочки, полупроводники с решеткой типа алмаза, многие оксиды, - может быть связано со свободными электронами, переброшенными тепловыми возбуждениями через энергетическую щель запрещенных значений, а также с наличием и динамикой кристаллических дефектов.
Безусловно, к наиболее интересным диамагнетикам относятся сверхпроводники всех типов - чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и сверхпроводящая оксидная керамика. В сверхпроводящем состоянии эти материалы обладают бесконечно большой диамагнитной восприимчивостью и выталкиваются из внешнего магнитного поля. Явление выталкивания сверхпроводником магнитного поля - эффект Мейсснера - может служить для установления факта перехода того или иного изделия в сверхпроводящее состояние в процессе его охлаждения. Образец - кольцо, брусок - из сверхпроводящего материала отталкивается от обычного постоянного магнита. Диамагнетизм продуктов сгорания свечи объясняет наблюдаемое выталкивание ее пламени из области сильного поля электромагнита.
Магнитный момент многоэлектронного атома, иона, молекулы представляет собой сумму орбитальных и спиновых моментов всех электронов. Во многих случаях эта сумма не равна нулю, частица характеризуется постоянным магнитным моментом. Если частицы не связаны друг с другом (газ), хаотическое тепловое движение разориентирует их магнитные моменты и в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность отсутствует. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов преимущественно в направлении поля, что и приводит к намагниченности объема, магнитная восприимчивость положительна, хотя и невелика (табл. 2.5.1), но больше, чем "электронный" диамагнетизм.
Это явление называется п а р а м а г н е т и з м о м. Парамагнетизм свойствен нескольким классам веществ.
1. Им обладают атомы и молекулы, имеющие нечетное число электронов (например, атомы щелочных металлов), а, следовательно, некомпенсированный спиновый момент.
2. Некомпенсированным спином характеризуются свободные атомы и ионы с недостроенными внутренними электронными оболочками. Сюда относятся редкоземельные и переходные элементы с частично заполненными d- и f-оболочками. В данном случае выполняется правило Хунда, согласно которому спины электронов в оболочке всегда складываются друг с другом таким образом, чтобы дать максимально возможные значения момента количества движения и магнитного момента (но, естественно, с учетом запрета Паули). Например, на d-оболочке (схема – на рис. 2.5.3) возможны 10 электронных состояний: при полном заполнении 5 со спином, направленным вверх, и 5 со спином, направленным вниз. Если на d-оболочке находятся лишь 6 электронов (как у Fe), то у пяти из них спины ориентированы одинаково и лишь у одного - противоположно, что и дает максимально возможный момент данному атому. При числе электронов 5 и менее спины ориентированы одинаково.
К этой группе примыкают и молекулы типа O2 и S2, у которых число электронов четное, но спины двух электронов некомпенсированы.
3. Своеобразным классом парамагнитных веществ являются кристаллы с дефектами, содержащими нечетное число электронов. Такими дефектами являются, например, F - центры в щелочно-галоидных кристаллах, вакансии в алмазоподобных решетках и др.
4. Парамагнитны многие металлы. Свободные электроны металлов дают как диамагнитный, так и парамагнитный вклады в восприимчивость, но парамагнитный вклад заметно превалирует.
Рис.2.5.3.Спиновое упорядочение полностью (а) и частично (б) заполненной электронной оболочки
Ориентирование магнитных моментов атомов и молекул во внешнем магнитном поле имеет внешнее сходство с ориентационной поляризацией диэлектриков, с характерной линейной зависимостью от обратной температуры. Простейшая теория парамагнетизма невзаимодействующих атомов была разработана Ланжевеном: суммирование их магнитных моментов без учета квантования дает величину парамагнитной восприимчивости
(2.5.14)
где N - число атомов (молекул) в единице объема, må - полный магнитный момент каждой из частиц, k - постоянная Больцмана, T -абсолютная температура.
С учетом пространственного квантования магнитных моментов проекция магнитного момента атома на направление магнитного поля
принимает
значение из ряда значений 
, где ml принимает (2l +1) значений: -l, -l+1,…,0, …,l-1,
l - парамагнитная восприимчивость
(2.5.15)
Оба выражения (2.5.14) и (2.5.15) удовлетворительно выполняются в случае слабых полей и не очень низких температур и представляют собой не что иное, как известный закон Кюри связи намагниченности с абсолютной температурой (ф.2.5.6)
причем без учета пространственного
квантования магнитных моментов 
а с учетом
квантования 
В сильных полях и при очень низких температурах намагниченность достигает насыщения:
J = NglmB, (2.5.16)
а соотношения (2.5.14) и (2.5.15) не выполняются.
Все приведенные соотношения для c парамагнетиков справедливы для разреженного газа.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.