顺磁场材料：从基础理论到实际应用
顺磁场材料：从基础理论到实际应用
顺磁场材料，即具有顺磁性的材料，是根据物质在磁场中磁化率的大小和符号进行分类的一类材料。这类材料在外磁场作用下会产生与外磁场方向相同的磁化强度，其磁化率虽然很小（通常在10-6到10-3的数量级），但具有重要的科学和应用价值。
什么是顺磁性？
顺磁性是指材料对磁场响应很弱的磁性。用磁化率k=M/H来表示（M和H分别为磁化强度和磁场强度），磁化率k是正的，即磁化强度的方向与磁场强度的相同，数值为10-6—10-3量级。
一些原子核（如1H，7Li，11B，13C，17O等以及中子）具有磁矩，在磁场作用下会产生顺磁性，但其顺磁磁化率比电子对顺磁性的贡献小得多。因而在讨论物质的顺磁性时，可不计及核的顺磁性。
理论基础
从原子结构来看，组成顺磁性物体的原子、离子或分子具有未被电子填满的内壳层，这类材料的原子、离子或分子中存在固有磁矩，因其相互作用远小于热运动能，磁矩的取向无规，使材料不能形成自发磁化。在经典理论中，磁矩在磁场中可取任意方向。所有这些材料中的原子或离子在磁场作用下所产生的磁矩都很小。
如许多过渡金属和稀土元素的绝缘化合物，有机化合物中的自由基，以及少数顺磁性气体（如NO，O2），在一般情况下磁化率随温度的变化遵从居里定律：κ=C/T，式中C称为居里常数，T为温度。
一些材料中的磁矩虽有交换作用，如铁磁和亚铁磁材料，但在高于居里温度情况下的磁化率随温度的变化遵从居里－外斯定率：κ=C/(T－TP)。式中TP称为材料的顺磁居里温度。对于铁磁性物质交换作用为正，TP>0；对于反铁磁性物质交换作用为负，TP<0。
应用领域
顺磁性有其重要的应用，从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以研究其结构，特别是电子组态结构；利用顺磁物质的绝热去磁效应可以获得约1—10-3K的超低温度；顺磁微波量子放大器是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器，促进了激光器的研究和发明，在生命科学中，如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性，同氧结合后转变为抗磁性，这两种弱磁性的相互转变反映了生物体内的氧化还原过程 ，其磁性研究成为生命现象的一种方法；目前医学上从核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以显示生物体内顺磁物质（如血红蛋白和自由基等）的分布和变化，此外某些测氧仪利用了顺磁性的原理。
碱金属元素和除铁、钴、镍以外的过渡元素都具有顺磁性。