Paramagnetizität

Paramagnetizität ist eine Form der magnetischen Antwort von Materialien auf äußere Magnetfelder. Paramagnetische Stoffe besitzen ungepaarte Elektronen, deren magnetische Momente sich im Mittel zum Feld ausrichten. Dadurch entsteht eine positive magnetische Suszeptibilität χ; das Material wird in Feldstärke magnetisiert, verschwindet aber wieder, sobald das Feld entfernt wird. Im Gegensatz dazu sind Diamagnetismus (χ<0) und Ferromagnetismus (mit spontane Ausrichtung) andere Formen der Magnetisierung.

Die zugrunde liegende Wirkung beruht auf dem statistischen Gleichgewicht der Spins. Ungepaarte Elektronen tragen magnetische Momente, die durch das äußere Feld energetisch bevorzugt orientiert werden. Thermische Störkräfte verhindern vollständige Ausrichtung, so dass χ typischerweise klein bleibt und mit der Temperatur abnimmt. Bei vielen Paramagnetika gilt das Curie-Gesetz: χ = C/T. In realen Materialien wird oft die Curie-Weiss-Gleichung verwendet: χ = C/(T − θ), wobei θ die Wechselwirkungen zwischen Spins beschreibt. Positive θ deuten auf ferromagnetische Tendenzen hin, θ ≈ 0 auf nahezu freies Spinsystem.

Der effektive parametrische Moment μ_eff ergibt sich aus der Elektronenkonfiguration. Im Spin‑nur‑Modell gilt μ_eff ≈ g√[S(S+1)] μ_B, wobei S der gesammelte Spin ist und g der Landé-G Faktor. Der orbitaler Beitrag kann reduziert oder durch Kristallfelder auf andere Weise eingeschränkt sein. In der Praxis variiert χ stark mit Temperatur, Zusammensetzung und Struktur.

Typische Beispiele paramagnetischer Substanzen sind Moleküle oder Ionen mit ungepaarten Elektronen, wie O2-Gas oder Mn2+-Verbindungen. Paramagnetismus wird durch Messung der magnetischen Suszeptibilität bestimmt, zum Beispiel mit Gouy-Balance, Faraday- oder SQUID-Magnetometrie. Anwendungen finden sich unter anderem in der Magnetresonanztomographie (MRI), in der Charakterisierung von Übergangsmetallverbindungen und in der Grundlagenforschung der Festkörperphysik.

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