Почему одни материалы диамагнитны, другие парамагнитны, а третьи ферромагнитны?

Есть несколько хороших эмпирических правил для пара- и диамагнетизма.

Система является парамагнитной, если она обладает чистым магнитным моментом, потому что в ней есть электроны с одинаковыми (параллельными) спинами. Их часто называют триплетными (или более высокими) состояниями. В атомах и молекулах они возникают, когда самая высокая занятая атомная/молекулярная орбиталь не заполнена (вырождение > 2 * # валентных электронов). В этом случае правила Хунда предполагают, что электроны снижают свою энергию, выравнивая свои спины.

Напротив, диамагнетик не имеет магнитного момента, потому что все электроны спарены.

Почти все свободные атомы парамагнетики, потому что почти все атомы имеют неспаренные спины. Исключение составляют последние столбцы блоков s, p, d и f (2, 12 и 18). (Что-то, что я упустил?) Например, это важное свойство для экспериментов Штерна-Герлаха и магнитного захвата.

Однако большинство молекул имеют полностью спаренные спины. Во-первых, большинство молекул имеют четное число спинов, за исключением свободных радикалов, которые относительно нестабильны. Чтобы выяснить, имеет ли молекула чистый магнитный момент (парамагнитный) или нет (диамагнитный), вам нужно посмотреть на ее молекулярные орбитали. Классический пример — кислород, который имеет полуполный (или полупустой)$\pi_{2p}^\ast$орбиталей и азота, который имеет полный$\pi_{2p}^\ast$орбитальный. См.: http://www.mpcfaculty.net/mark_bishop/atomic_orbital_theory.htm .

Для кристаллов и твердотельных материалов вопрос более сложен, но в конечном итоге он сводится к тому же вопросу: существует ли чистый магнитный момент из-за неспаренных спинов, и в этом случае это парамагнетик? или чистого магнитного момента нет, потому что все спины спарены, и в этом случае это диамагнетик?

Конечно, в твердотельном состоянии есть и третья ситуация, ферромагнетик. Это довольно сложно предсказать в реальных системах, и это основная область исследований. Некоторые модельные системы (модельная система: гораздо более простая математическая модель системы) разрешимы и дают подсказки о том, что искать. Например, свободные спины в решетке создают парамагнетик в соответствии с приведенным выше аргументом: кристалл обладает чистым магнитным моментом. Вы ожидаете, что в магнитном поле спин одного электрона создает магнитное поле, которое может воздействовать на его соседей. Поскольку система является парамагнитной, вы можете ожидать, что соседи выравниваются с их локальным магнитным полем, которое индуцируется их соседями, и весь кристалл поляризуется, создавая ферромагнетик. Это объяснение представляет собой модель Изинга среднего поля.. Это дает хорошую интуицию, хотя описать любую реальную систему слишком просто.