[科普中国]-顺磁性金属

有些金属，如碱金属和碱土金属，它们的离子也是填满的电子结构，但它们的自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性。因此它们是顺磁性金属，如铝、镁、锂、钠和钾等。

简介在磁场的作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩，而离子的固有磁矩则产生顺磁矩。此外，还要看到，自由电子在磁场的作用下也产生抗磁矩和顺磁矩，不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，故自由电子的主要贡献是顺磁性。金属均由离子和自由电子所构成，因此对于一种金属来说，其内部既存在着产生抗磁性的因素，又存在着产生顺磁性的因素，属于哪种磁性金属，取决于哪种因素占主导地位。1

抗磁性金属金属的离子，由于核外电子层结构不同，可以分为两种情况：首先是它的电子壳层已全部被填满，即固有磁矩为零。在外加磁场的作用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩，抗磁矩的强弱取决于核外电子的数量。如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩，则金属为抗磁金属。属于这种情况的抗磁金属有铜、金和银等。锑、铋和铅等金属也属于这种情况，所不同的是它们的自由电子向共价键过渡，因而呈现出异常大的抗磁性。

强顺磁性金属离子有未被填满的电子层，即离子具有较强的固有磁矩。在外磁场的作用下，这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动所产生的抗磁矩。具有这种离子的金属都有较强的顺磁性，它们属于强顺磁性金属。如3d-金属中的钛和钒等；4d-金属中的铌、锆和铝等；5d-金属中的铪、钽、钨和铂等。多数金属属于顺磁性。

金属的顺磁性和抗磁性金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性，自由电子的抗磁性与顺磁性。正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子的顺磁性源于原子的固有磁矩。而自由电子的磁性可简述如下:其顺磁性源于电子的自旋磁矩，在外磁场作用下，自由电子的自选磁矩转到了外磁场方向；自由电子的抗磁性源于其在外磁场中受洛伦兹力而做的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场反向。这四种磁性可能单独存在，也可能共同存在，要综合考虑哪个因素的影响最大，从而确定其磁性的性质。

非金属中除了氧和石墨外，都是抗磁性(它们与惰性气体相近)。如Si，S，P以及许多有机化合物，它们基本都是以共价键结合的，由于共价电子对的磁矩相互抵消，因而都是抗磁体。在元素周期表中，接近非金属的一些金属元素，如Sb，Bi，Ga，灰Sn，Tl等，它们的自由电子在原子价增加时逐步向共价结合过渡，故表现出异常的抗磁性。

在Cu，Ag，Au，Zn，Cd，Hg等金属中，由于它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性，因而它们属于抗磁体。所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁体。虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气体相似的电子结构，似乎应该是抗磁体，但是由于自由电子产生的顺磁性占据了主导地位，故仍表现为顺磁性。

稀土金属的顺磁性较强，磁化率较大且遵从居里一外斯定律。这是因为它们的4f或者Sd电子壳层未填满，存在未抵消的自选磁矩所造成的。关于过渡族金属，高温时基本都属于顺磁体，但其中有些存在铁磁转变(Fe，Co，Ni等)，有些则存在反铁磁转变(如Cr)。这类金属的顺磁性主要是由于它们的3d~5d电子壳层未填满，d和f态电子未抵消的自旋磁矩形成了晶体离子的固有磁矩，从而产生了强烈的顺磁性。

影响因素温度和磁场强度对于抗磁性的影响非常微弱，但当金属熔化凝固、范性变形、晶粒细化和同素异构转变时，电子轨道的变化和原子密度的变化，将使抗磁磁化率发生变化。

熔化时抗磁体的磁化率值一般都减小，铊熔化时抗磁磁化率降低10%，铋降低8%。但锗、金、银不同，它们的磁化率值在熔化时是增高的。范性形变可使铜和锌的抗磁性减弱，经高度加工硬化后的铜可由抗磁性变为顺磁性，而退火则可使铜的抗磁性恢复。晶粒细化可使铋、锑、硒、碲的抗磁性减弱，在晶粒高度细化时可由抗磁性转变为顺磁性。显然，熔化、范性变形、晶粒细化等因素都是使金属晶体趋于非晶化，因此其影响效果也类似。而且都是因变化导致的原子间距增大，密度减小所致。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学