Диамагнетизм представляет собой фундаментальное свойство вещества, возникающее в результате изменения орбитального движения электронов под действием внешнего магнитного поля. При наложении поля в атомах индуцируются микротоки, создающие магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю. Это приводит к очень слабому отрицательному магнитному отклику вещества.
Основная причина диамагнетизма кроется в законе Ленца: любая индуцированная система токов стремится противодействовать изменению внешнего магнитного потока. Поскольку орбитальное движение электронов в атоме всегда реагирует именно таким образом, диамагнетизм является универсальным явлением, свойственным всем атомам и молекулам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными эффектами — парамагнетизмом или ферромагнетизмом.
Сила диамагнитного отклика характеризуется магнитной восприимчивостью χ, которая для диамагнетиков принимает отрицательные значения порядка 10⁻⁶ – 10⁻⁵. Это означает, что индуцированный магнитный момент очень мал. Яркими примерами диамагнетиков являются благородные газы, медь, серебро, золото, бериллий, висмут и графит.
Особый интерес представляет висмут, обладающий одним из самых сильных диамагнитных откликов среди простых веществ, а также графит, где анизотропия кристаллической решётки приводит к выраженному различию в магнитных свойствах вдоль различных кристаллографических направлений.
Диамагнетизм играет важную роль в физике конденсированного состояния, так как именно он определяет поведение веществ, не обладающих неспаренными электронами. Кроме того, в сверхпроводниках проявляется так называемый идеальный диамагнетизм (эффект Мейснера), при котором внешнее магнитное поле полностью вытесняется из объёма материала.
Парамагнетизм возникает в веществах, атомы или ионы которых содержат неспаренные электроны. Каждый такой электрон обладает собственным спиновым магнитным моментом, а иногда и орбитальным моментом. В отсутствие внешнего поля направления этих моментов хаотичны и взаимно компенсируются. При приложении магнитного поля происходит частичная ориентация магнитных моментов вдоль его направления, что приводит к положительному, хотя и слабому, магнитному отклику.
В отличие от диамагнетизма, парамагнетизм зависит от температуры. Согласно закону Кюри, магнитная восприимчивость χ обратно пропорциональна температуре:
χ = C / T,
где C — постоянная Кюри, зависящая от числа и величины магнитных моментов в веществе. Это означает, что при повышении температуры тепловое движение препятствует упорядочению магнитных моментов, и парамагнитный отклик уменьшается.
Примерами парамагнетиков являются кислород в газообразном состоянии, ионы переходных металлов с неполностью заполненными d- и f-оболочками (например, Mn²⁺, Fe³⁺, Gd³⁺), а также редкоземельные элементы.
Особое место занимают парамагнетики с сильным спиновым взаимодействием, в которых при понижении температуры может возникнуть коллективное упорядочение магнитных моментов — переход к ферро-, антиферро- или ферримагнитному состоянию.
Природа эффекта:
Знак магнитной восприимчивости:
Температурная зависимость:
Сила эффекта:
Таким образом, диамагнетизм и парамагнетизм представляют собой два фундаментальных типа слабого магнитного отклика вещества, определяющих поведение большинства твёрдых тел в магнитных полях.