Κατάλογος Παραμαγνητικών Ατόμων
Τα παραμαγνητικά είδη είναι παντού. Στο σωστό σκηνικό, και εκφρασμένη με έναν σωστά σκοτεινό τόνο, αυτή η φράση θα μπορούσε να προκαλέσει εικόνες παράξενων εξωγήινων εισβολέων που τρέχουν αμήχανα σε όλο τον κόσμο. Αντίθετα, είναι μια βασική δήλωση σχετικά με μια συγκεκριμένη ποιότητα που μοιράζεται ένα καλά καθορισμένο σύνολο σωματιδίων πάνω και γύρω από τη Γη, και μια δήλωση που ορίζεται χρησιμοποιώντας αντικειμενικά και εύκολα προσδιορισμένα κριτήρια.
Αναμφίβολα έχετε χρησιμοποιήσει μαγνήτες στη ζωή σας και στις περισσότερες περιπτώσεις που έχετε λειτουργήσει μέσα σε ένα μη τετριμμένο μαγνητικό πεδίο, δεν το έχετε συνειδητοποιήσει. Μπορεί ακόμη και να γνωρίζετε ότι ορισμένα υλικά λειτουργούν ως μόνιμοι μαγνήτες και ότι μπορούν να προσελκύσουν μέταλλα παρόλο που αυτά τα μέταλλα δεν είναι προφανώς μαγνήτες. Ή μήπως;
Όπως συμβαίνει, ο κόσμος της φυσικής, συγκεκριμένα ο υπο-επιστημονικός κλάδος του ηλεκτρομαγνητισμού, περιλαμβάνει μια ποικιλία τύπων μαγνητισμού. Ένα από αυτά είναι ο παραμαγνητισμός , και είναι μια ιδιότητα που συχνά επαληθεύεται εύκολα με την όραση, επειδή τα παραμαγνητικά υλικά έλκονται από ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Πώς όμως συμβαίνει αυτό και από πού προέρχονται, ούτως ή άλλως, τα μαγνητικά «πεδία»; Η ευκαιρία να μάθετε όλα αυτά και περισσότερα θα πρέπει να σας τραβάει έντονα να συνεχίσετε να διαβάζετε!
Τι είναι ο μαγνητισμός;
Στα τέλη του 1700, παρατηρήθηκε ότι μια βελόνα πυξίδας, η οποία δείχνει προς το βορρά ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου της Γης, μπορεί να εκτραπεί από την παρουσία ενός κοντινού ηλεκτρικού ρεύματος.
Αυτή είναι η πρώτη γνωστή απόδειξη ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ήταν κατά κάποιο τρόπο συνδεδεμένοι. Στην πραγματικότητα, τα κινούμενα φορτία (που είναι ο ορισμός του ηλεκτρικού ρεύματος) δημιουργούν μαγνητικά πεδία με "γραμμές" που εξαρτώνται από τη γεωμετρία του ηλεκτρικού κυκλώματος.
Όταν ένα σύρμα που μεταφέρει ρεύμα τυλίγεται ή τυλίγεται πολλές φορές γύρω από ορισμένα είδη μετάλλων, αυτό μπορεί να προκαλέσει την ιδιότητα του μαγνητισμού σε αυτά τα μέταλλα, τουλάχιστον ενώ εφαρμόζεται το ρεύμα. Μερικά από αυτά χρησιμοποιούνται σε χώρους όπως ναυπηγεία παλιοσίδερων και είναι αρκετά ισχυρά για να ανυψώνουν ολόκληρα αυτοκίνητα.
Η αλληλεπίδραση ηλεκτρικού ρεύματος και μαγνητικών πεδίων είναι ένα θέμα που μπορεί και γεμίζει ολόκληρα σχολικά βιβλία, αλλά προς το παρόν, θα πρέπει να γνωρίζετε ότι ο λόγος που ορισμένα υλικά αντιδρούν διαφορετικά στα μαγνητικά πεδία από άλλα έχει να κάνει με τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων στο υψηλότερο ("εξώτατο") ενεργειακό κέλυφος των ατόμων σε αυτά τα υλικά.
Η μαγνήτιση των στερεών
Εάν μια στερεή ουσία τοποθετηθεί σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, μπορεί να περιμένετε ότι η συμπεριφορά των μορίων στην ουσία θα εξαρτάται σε κάποιο βαθμό από την κατάσταση του υλικού. Δηλαδή ένα αέριο , το οποίο έχει μόρια που κινούνται αρκετά ελεύθερα, και ένα υγρό , στο οποίο τα μόρια παραμένουν μαζί αλλά είναι ελεύθερα να γλιστρήσουν το ένα δίπλα στο άλλο, μπορεί να συμπεριφέρεται διαφορετικά από ένα στερεό, του οποίου τα μόρια είναι κλειδωμένα στη θέση τους, συνήθως σε δομή τύπου πλέγματος.
Εάν φανταστείτε τη βασική κρυσταλλική δομή ενός στερεού (και η φύση αυτού του επαναλαμβανόμενου σχεδίου μπορεί να διαφέρει από ουσία σε ουσία), μπορείτε να φανταστείτε τους πυρήνες των ατόμων να βρίσκονται στα κέντρα των κύβων, με τα ηλεκτρόνια να καταλαμβάνουν χώρους ενδιάμεσα, ελεύθερα να δονούνται και, στην περίπτωση των μεταλλικών στερεών, ελεύθερα να περιφέρονται χωρίς αλυσίδα στους μητρικούς τους πυρήνες.
Όταν τα ηλεκτρόνια ενός στερεού καθιστούν την ουσία έναν μόνιμο μαγνήτη ή έναν που μπορεί να γίνει τέτοιος μαγνήτης, η ουσία ονομάζεται σιδηρομαγνητική (από το λατινικό ferrum, που σημαίνει σίδηρος). Εκτός από τον σίδηρο, τα στοιχεία κοβάλτιο, νικέλιο και γαδολίνιο είναι σιδηρομαγνητικά.
Οι περισσότερες ουσίες, ωστόσο, παρουσιάζουν άλλες αποκρίσεις στα μαγνητικά πεδία, καθιστώντας τα περισσότερα άτομα παραμαγνητικά ή διαμαγνητικά. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικούς βαθμούς στα ίδια υλικά και παράγοντες όπως η θερμοκρασία μπορούν να επηρεάσουν την απόκριση ενός υλικού στα εφαρμοσμένα μαγνητικά πεδία.
Σύγκριση Διαμαγνητισμού, Παραμαγνητισμού και Σιδηρομαγνητισμού
Σκεφτείτε τρεις διαφορετικούς φίλους που έχετε επιλέξει ως υποψήφιους για να δοκιμάσετε τη νέα σας εφαρμογή επιστημονικών παιχνιδιών.
Μία από αυτές ανταποκρίνεται μόνο στις παροτρύνσεις σας να δοκιμάσετε με το να γίνει πιο ανθεκτική από ό,τι ήταν στο παιχνίδι στην αρχή. Ο δεύτερος συμφωνεί να εγκαταστήσει την εφαρμογή και να παίξει, αλλά σταματά γρήγορα την αναπαραγωγή και απεγκαθιστά την εφαρμογή κάθε φορά που τον αφήνετε ήσυχο, μόνο για να την εγκαταστήσει ξανά και να συνεχίσει να παίζει όποτε επανεμφανίζεστε. και ο τρίτος φίλος κολλάει αμέσως στην εφαρμογή και ποτέ σταματά να το χρησιμοποιεί.
Έτσι λειτουργούν χαλαρά τα τρία είδη μαγνητισμού που είναι πιο πιθανό να ακούσετε στο πάρτι του γραφείου σε σχέση μεταξύ τους. Ενώ ο σιδηρομαγνητισμός, που έχει ήδη περιγραφεί, είναι μια κατάσταση μόνιμου μαγνητισμού, πώς συμβαίνει αυτό και ποιες είναι οι εναλλακτικές λύσεις;
Όπως συμβαίνει, υπάρχουν τέσσερις καλά κατανοητές εναλλακτικές στον σιδηρομαγνητισμό. Ο παραμαγνητισμός, πάλι, είναι η ιδιότητα του να έλκεσαι από ένα μαγνητικό πεδίο και ισχύει για ένα ευρύ φάσμα μετάλλων, συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων σύγχρονων ψυγείων. Ο διαμαγνητισμός είναι το αντίθετο, μια τάση να απωθείται από ένα μαγνητικό πεδίο. Όλα τα υλικά παρουσιάζουν κάποιο βαθμό διαμαγνητισμού. Και στις δύο περιπτώσεις, κρίσιμα, το υλικό επιστρέφει στην προηγούμενη κατάστασή του όταν αφαιρεθεί το πεδίο.
- Μιλώντας δυνατά, ο "σιδηρομαγνητισμός" και ο "παραμαγνητισμός" μοιάζουν πολύ, επομένως να είστε προσεκτικοί όταν συζητάτε αυτά τα θέματα στην ομάδα μελέτης φυσικής σας.
Σιδηρομαγνητισμός και αντισιδηρομαγνητισμός είναι λιγότερο συχνά συναντώμενοι τύποι μαγνητισμού. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά συμπεριφέρονται όπως τα σιδηρομαγνητικά υλικά και περιλαμβάνουν τον ιακοβσίτη και τον μαγνητίτη. Ο αιματίτης και ο τροιλίτης είναι δύο ενώσεις που επιδεικνύουν αντισιδηρομαγνητισμό, όπου δεν δημιουργείται μαγνητική ροπή.
Χαρακτηριστικά Παραμαγνητικών Ενώσεων και Ατόμων
Τα παραμαγνητικά στοιχεία και τα παραμαγνητικά μόρια μοιράζονται ένα κύριο χαρακτηριστικό και αυτό είναι η ύπαρξη μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων . Όσο περισσότερα από αυτά υπάρχουν, τόσο πιο πιθανό είναι το άτομο ή το μόριο να δείξει παραμαγνητισμό. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται με σταθερό τρόπο με τον προσανατολισμό ενός εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, δημιουργώντας κάτι που ονομάζεται μαγνητικές διπολικές ροπές γύρω από κάθε άτομο ή μόριο.
Εάν είστε εξοικειωμένοι με τους κανόνες «πλήρωσης» ηλεκτρονίων, γνωρίζετε ότι τα τροχιακά εντός των υποφλοιών μπορούν να χωρέσουν δύο ηλεκτρόνια το καθένα, και ότι υπάρχει ένα από αυτά για ένα υποκέλυφος s, τρία για ένα υποκέλυφος p και πέντε για ένα υποκέλυφος d. Αυτό επιτρέπει τη χωρητικότητα δύο, έξι και 10 ηλεκτρονίων σε κάθε υποκέλυφος, αλλά αυτά θα γεμίσουν έτσι ώστε κάθε τροχιακό να κρατά μόνο ένα ηλεκτρόνιο για όσο το δυνατόν περισσότερο χρόνο, έως ότου το ένα ηλεκτρόνιο εκεί πρέπει να φιλοξενήσει έναν γείτονα.
Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις πληροφορίες σε έναν περιοδικό πίνακα στοιχείων για να προσδιορίσετε εάν ένα υλικό θα είναι παραμαγνητικό, και ευτυχώς, εάν θα είναι ασθενώς παραμαγνητικό (όπως στο Cl, το οποίο έχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο) ή έντονα παραμαγνητικό (όπως η πλατίνα , το οποίο έχει δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια).
List of Diamagnetic and Paramagnetic Atoms and Molecules
Ένας τρόπος για να ποσοτικοποιηθεί ο μαγνητισμός είναι μέσω της παραμέτρου που ονομάζεται μαγνητική επιδεκτικότητα χm , που είναι μια αδιάστατη ποσότητα που σχετίζεται με την απόκριση ενός υλικού σε ένα εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο. Το οξείδιο του σιδήρου, FeO, έχει πολύ υψηλή τιμή 720.
Άλλα υλικά που θεωρούνται έντονα παραμαγνητικά περιλαμβάνουν σίδηρο αμμώνιο στυπτηρία (66), ουράνιο (40), πλατίνα (26), βολφράμιο (6,8), καίσιο (5,1), αλουμίνιο (2,2), λίθιο (1,4) και μαγνήσιο (1,2), νάτριο (1,2). 0,72) και αέριο οξυγόνο (0,19).
Αυτές οι τιμές κυμαίνονται ευρέως και αυτή του αερίου οξυγόνου μπορεί να φαίνεται μέτρια, αλλά ορισμένα παραμαγνητικά υλικά παρουσιάζουν πολύ μικρότερες τιμές από αυτές που αναφέρονται παραπάνω. Τα περισσότερα στερεά σε θερμοκρασία δωματίου έχουν χm τιμές μικρότερες από 0,00001 ή 1 x 10.
Η ευαισθησία, όπως θα περίμενε κανείς, δίνεται ως αρνητική τιμή όταν το υλικό είναι διαμαγνητικό. Παραδείγματα περιλαμβάνουν αμμωνία ( −.26) βισμούθιο (−16.6) υδράργυρο (−2.9) και άνθρακα στο διαμάντι (−2.1).
