پارامغناطیس: خاصیت جذب ضعیف ماده به سمت میدان مغناطیسی خارجی

پارامغناطیس: رقص اتم‌ها در میدان مغناطیسی

مغناطیس چیست و پارامغناطیس کجای آن قرار دارد؟

همه‌ی ما با آهنربا بازی کرده‌ایم و می‌دانیم که برخی مواد مانند آهن به شدت جذب آهنربا می‌شوند. این خاصیت را فرومغناطیس⁵ می‌نامند. اما در دنیای مواد، دسته‌ی دیگری نیز وجود دارند که رفتار ضعیف‌تری دارند؛ آن‌ها به آرامی و تنها در حضور یک میدان مغناطیسی قوی، کمی به سمت آهنربا کشیده می‌شوند. این مواد، پارامغناطیس نامیده می‌شوند. مثال ساده‌ی آن، نمک معمولی حاوی اکسیژن مایع یا برخی فلزات مانند آلومینیوم است. برخلاف آهنرباهای دائمی، این مواد وقتی از میدان مغناطیسی دور شوند، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند.

سفر به درون اتم: منشأ پارامغناطیس کجاست؟

برای درک این پدیده، باید سری به دنیای کوچک اتم‌ها بزنیم. الکترون‌ها که به دور هسته‌ی اتم می‌چرخند، مانند آهنرباهای کوچکی رفتار می‌کنند که به آن‌ها گشتاور مغناطیسی می‌گوییم. در بسیاری از مواد، این آهنرباهای کوچک به صورت جفت‌هایی هستند که در جهت مخالف یکدیگر قرار گرفته‌اند و اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند (مانند دو آهنربا که قطب‌های ناهمنام به هم چسبیده‌اند). اما در مواد پارامغناطیس، برخی از الکترون‌ها جفت‌نشده هستند. این الکترون‌های تنها، هر کدام یک آهنربای کوچک دارند که به طور تصادفی در جهت‌های مختلف قرار گرفته‌اند.

وقتی این ماده در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد، مانند این است که یک رهبر ارکستر برای این آهنرباهای کوچک ظاهر شود. همه‌ی آن‌ها شروع به چرخش و هم‌راستا شدن با جهت میدان مغناطیسی خارجی می‌کنند. این هم‌راستایی جمعی، باعث می‌شود که ماده در کل، یک آهنربای ضعیف شود و به سمت منبع میدان جذب گردد. به این پدیده، پارامغناطیس می‌گویند.

ریاضیات پشت پرده: قانون کوری

شدت پارامغناطیس یک ماده چقدر است؟ دانشمندی به نام پیر کوری⁷ رابطه‌ای ساده برای این موضوع کشف کرد. این رابطه می‌گوید که استعداد یک ماده‌ی پارامغناطیس برای مغناطیسه شدن، با دمای آن رابطه‌ی عکس دارد. هرچه ماده سردتر باشد، هم‌راستایی گشتاورهای مغناطیسی آسان‌تر و در نتیجه خاصیت پارامغناطیس قوی‌تر می‌شود.

پارامغناطیس در زندگی و فناوری

شاید فکر کنید این پدیده‌ی ضعیف کاربرد چندانی ندارد، اما اینطور نیست! یکی از جالب‌ترین کاربردها در علم شیمی است. از خاصیت پارامغناطیس برای شناسایی ترکیبات شیمیایی استفاده می‌شود. دستگاهی به نام طیف‌سنج تشدید مغناطیسی هسته‌ای⁸ یا به اختصار NMR، با استفاده از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی و بررسی رفتار پارامغناطیسی هسته‌ی اتم‌ها، به شیمیدان‌ها کمک می‌کند تا ساختار مولکول‌های ناشناخته را کشف کنند. این فناوری پایه‌ی دستگاه‌های پیشرفته‌ی ام‌آر‌آی⁹ در پزشکی نیز هست که برای عکسبرداری از اندام‌های داخلی بدن بدون استفاده از پرتوهای مضر استفاده می‌شود.

مثال دیگر، اکسیژن مایع است. اکسیژن یک ماده‌ی پارامغناطیس قوی است. اگر یک آهنربا را نزدیک اکسیژن مایع بگیرید، می‌بینید که اکسیژن به سمت آن کشیده می‌شود، گویی که می‌خواهد آهنربا را در آغوش بگیرد! این یک نمایش ساده و زیبا از پارامغناطیس در عمل است.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ Paramagnetism - پارامغناطیس: خاصیت جذب ضعیف به سمت میدان مغناطیسی خارجی.
² Magnetic Moment - گشتاور مغناطیسی: معیار اندازه‌گیری قدرت و جهت یک منبع مغناطیسی.
³ Unpaired Electron - الکترون جفت‌نشده: الکترونی که در یک اوربیتال به تنهایی قرار دارد و جفت ندارد.
⁴ Curie's Law - قانون کوری: رابطه‌ای که استعداد مغناطیسی مواد پارامغناطیس را با دمای آن‌ها مرتبط می‌کند.
⁵ Ferromagnetism - فرومغناطیس: خاصیت جذب قوی و ماندگار به سمت میدان مغناطیسی.
⁶ Diamagnetism - دیامغناطیس: خاصیت دفع ضعیف از میدان مغناطیسی خارجی.
⁷ Pierre Curie - پیر کوری: فیزیکدان فرانسوی برنده جایزه نوبل.
⁸ Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy - طیف‌سنج تشدید مغناطیسی هسته‌ای.
⁹ Magnetic Resonance Imaging - تصویربرداری تشدید مغناطیسی.