[科普中國]-順磁性金屬

有些金屬，如堿金屬和堿土金屬，它們的離子也是填滿的電子結(jié)構(gòu)，但它們的自由電子所產(chǎn)生的順磁性大于離子部分的抗磁性。因此它們是順磁性金屬，如鋁、鎂、鋰、鈉和鉀等。

簡介在磁場的作用下電子的循軌運動要產(chǎn)生抗磁矩，而離子的固有磁矩則產(chǎn)生順磁矩。此外，還要看到，自由電子在磁場的作用下也產(chǎn)生抗磁矩和順磁矩，不過它所產(chǎn)生的抗磁矩遠(yuǎn)小于順磁矩，故自由電子的主要貢獻(xiàn)是順磁性。金屬均由離子和自由電子所構(gòu)成，因此對于一種金屬來說，其內(nèi)部既存在著產(chǎn)生抗磁性的因素，又存在著產(chǎn)生順磁性的因素，屬于哪種磁性金屬，取決于哪種因素占主導(dǎo)地位。1

抗磁性金屬金屬的離子，由于核外電子層結(jié)構(gòu)不同，可以分為兩種情況：首先是它的電子殼層已全部被填滿，即固有磁矩為零。在外加磁場的作用下由核外電子的循軌運動產(chǎn)生抗磁矩，抗磁矩的強弱取決于核外電子的數(shù)量。如果離子部分總的抗磁矩大于自由電子的順磁矩，則金屬為抗磁金屬。屬于這種情況的抗磁金屬有銅、金和銀等。銻、鉍和鉛等金屬也屬于這種情況，所不同的是它們的自由電子向共價鍵過渡，因而呈現(xiàn)出異常大的抗磁性。

強順磁性金屬離子有未被填滿的電子層，即離子具有較強的固有磁矩。在外磁場的作用下，這些固有磁矩所產(chǎn)生的順磁矩遠(yuǎn)大于核外電子循軌運動所產(chǎn)生的抗磁矩。具有這種離子的金屬都有較強的順磁性，它們屬于強順磁性金屬。如3d-金屬中的鈦和釩等；4d-金屬中的鈮、鋯和鋁等；5d-金屬中的鉿、鉭、鎢和鉑等。多數(shù)金屬屬于順磁性。

金屬的順磁性和抗磁性金屬是由點陣離子和自由電子構(gòu)成的，故金屬的磁性要考慮到點陣結(jié)點上正離子的抗磁性和順磁性，自由電子的抗磁性與順磁性。正離子的抗磁性源于其電子的軌道運動，正離子的順磁性源于原子的固有磁矩。而自由電子的磁性可簡述如下:其順磁性源于電子的自旋磁矩，在外磁場作用下，自由電子的自選磁矩轉(zhuǎn)到了外磁場方向；自由電子的抗磁性源于其在外磁場中受洛倫茲力而做的圓周運動，這種圓周運動產(chǎn)生的磁矩同外磁場反向。這四種磁性可能單獨存在，也可能共同存在，要綜合考慮哪個因素的影響最大，從而確定其磁性的性質(zhì)。

非金屬中除了氧和石墨外，都是抗磁性(它們與惰性氣體相近)。如Si，S，P以及許多有機(jī)化合物，它們基本都是以共價鍵結(jié)合的，由于共價電子對的磁矩相互抵消，因而都是抗磁體。在元素周期表中，接近非金屬的一些金屬元素，如Sb，Bi，Ga，灰Sn，Tl等，它們的自由電子在原子價增加時逐步向共價結(jié)合過渡，故表現(xiàn)出異常的抗磁性。

在Cu，Ag，Au，Zn，Cd，Hg等金屬中，由于它們的離子所產(chǎn)生的抗磁性大于自由電子的順磁性，因而它們屬于抗磁體。所有的堿金屬和除Be以外的堿土金屬都是順磁體。雖然這兩族金屬元素在離子狀態(tài)時有與惰性氣體相似的電子結(jié)構(gòu)，似乎應(yīng)該是抗磁體，但是由于自由電子產(chǎn)生的順磁性占據(jù)了主導(dǎo)地位，故仍表現(xiàn)為順磁性。

稀土金屬的順磁性較強，磁化率較大且遵從居里一外斯定律。這是因為它們的4f或者Sd電子殼層未填滿，存在未抵消的自選磁矩所造成的。關(guān)于過渡族金屬，高溫時基本都屬于順磁體，但其中有些存在鐵磁轉(zhuǎn)變(Fe，Co，Ni等)，有些則存在反鐵磁轉(zhuǎn)變(如Cr)。這類金屬的順磁性主要是由于它們的3d~5d電子殼層未填滿，d和f態(tài)電子未抵消的自旋磁矩形成了晶體離子的固有磁矩，從而產(chǎn)生了強烈的順磁性。

影響因素溫度和磁場強度對于抗磁性的影響非常微弱，但當(dāng)金屬熔化凝固、范性變形、晶粒細(xì)化和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，電子軌道的變化和原子密度的變化，將使抗磁磁化率發(fā)生變化。

熔化時抗磁體的磁化率值一般都減小，鉈熔化時抗磁磁化率降低10%，鉍降低8%。但鍺、金、銀不同，它們的磁化率值在熔化時是增高的。范性形變可使銅和鋅的抗磁性減弱，經(jīng)高度加工硬化后的銅可由抗磁性變?yōu)轫槾判裕嘶饎t可使銅的抗磁性恢復(fù)。晶粒細(xì)化可使鉍、銻、硒、碲的抗磁性減弱，在晶粒高度細(xì)化時可由抗磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。顯然，熔化、范性變形、晶粒細(xì)化等因素都是使金屬晶體趨于非晶化，因此其影響效果也類似。而且都是因變化導(dǎo)致的原子間距增大，密度減小所致。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)