Warum sind manche Materialien diamagnetisch, andere paramagnetisch und wieder andere ferromagnetisch?

Es gibt ein paar anständige Faustregeln für Para- und Diamagnetismus.

Ein System ist paramagnetisch, wenn es ein magnetisches Nettomoment hat, weil es Elektronen mit gleichen (parallelen) Spins hat. Diese werden oft Triplett- (oder höhere) Zustände genannt. In Atomen und Molekülen treten sie auf, wenn das höchste besetzte Atom-/Molekülorbital nicht voll ist (Entartung > 2 * # Valenzelektronen). In diesem Fall legen die Hundschen Regeln nahe, dass die Elektronen ihre Energie verringern, indem sie ihre Spins ausrichten.

Im Gegensatz dazu hat ein Diamagnet kein magnetisches Moment, da alle Elektronen gepaart sind.

Fast alle freien Atome sind paramagnetisch, weil fast alle Atome ungepaarte Spins haben. Ausnahmen bilden die letzte Spalte der Blöcke s, p, d und f (2, 12 und 18). (Irgendwelche, die ich vermisse?) Das ist zum Beispiel eine wichtige Eigenschaft für die Stern-Gerlach-Experimente und das magnetische Einfangen.

Die meisten Moleküle haben jedoch vollständig gepaarte Spins. Zunächst einmal haben die meisten Moleküle eine gerade Anzahl von Spins, mit Ausnahme von freien Radikalen, die relativ instabil sind. Um herauszufinden, ob das Molekül ein magnetisches Nettomoment hat (paramagnetisch) oder nicht (diamagnetisch), müssen Sie sich seine Molekülorbitale ansehen. Das klassische Beispiel ist Sauerstoff, der einen halbvollen (oder halbleeren)$\pi_{2p}^\ast$Orbitale und Stickstoff, der eine volle hat$\pi_{2p}^\ast$orbital. Siehe: http://www.mpcfaculty.net/mark_bishop/molecular_orbital_theory.htm .

Bei Kristallen und Festkörpermaterialien ist die Frage herausfordernder, läuft aber letztendlich auf dieselbe Frage hinaus: Gibt es aufgrund ungepaarter Spins ein magnetisches Nettomoment, in welchem ​​​​Fall ist es ein paramagnetisches Moment? oder gibt es kein magnetisches Nettomoment, weil alle Spins gepaart sind, in diesem Fall ist es ein Diamagnet?

Natürlich gibt es im Festkörper eine dritte Situation, einen Ferromagneten. Dies ist in realen Systemen ziemlich schwierig vorherzusagen und ist ein wichtiges Forschungsgebiet. Einige Modellsysteme (Modellsystem: ein viel einfacheres mathematisches Modell eines Systems) sind lösbar und geben Hinweise darauf, wonach gesucht werden muss. Zum Beispiel erzeugen freie Spins in einem Gitter einen Paramagneten durch das obige Argument: Der Kristall hat ein magnetisches Nettomoment. Sie erwarten, dass in einem Magnetfeld der Spin eines Elektrons ein Magnetfeld erzeugt, das seine Nachbarn beeinflussen kann. Da das System paramagnetisch ist, könnten Sie erwarten, dass sich die Nachbarn mit ihrem lokalen Magnetfeld ausrichten, das von ihren Nachbarn induziert wird, und der gesamte Kristall sich selbst polarisiert und einen Ferromagneten erzeugt. Diese Erklärung ist ein Mean-Field-Ising-Modell. Es gibt eine gute Intuition, obwohl es zu einfach ist, ein reales System zu beschreiben.