Paramagnetismo di Pauli

Ciascun elettrone in un atomo, possiede un momento angolare di spin e un momento angolare orbitale (tranne il caso di un elettrone che occupi un orbitale s a cui non è associato un momento angolare orbitale).

Poiché l’elettrone è una particella con carica elettrica, ai momenti angolare di spin e orbitale sono associati rispettivamente un momento magnetico di spin e un momento magnetico orbitale.

Quando in un atomo sono presenti più elettroni, il momento angolare di spin di ciascuna coppia di elettroni con spin antiparalleli è: + ½ h/2π – ½ h/2π = 0 e quindi è nullo il loro momento magnetico di spin così come lo è quello orbitale. Quindi un atomo polielettronico isolato, quando possiede uno o più elettroni spaiati possiede anche un momento elettronico permanente che è la risultante del momento magnetico di spin e di quello orbitale.

Un tale atomo si comporta come un dipolo magnetico infinitesimo. In un atomo polielettronico un livello o un sottolivello completamente riempito non contribuisce al momento magnetico dell’atomo e perciò negli elementi dei blocchi s e p del sistema periodico, il momento di spin, quando esiste, deriva dalla presenza di elettroni spaiati nel livello più esterno. 

Gli atomi isolati degli metalli alcalini, avendo una configurazione elettronica ns1 e, in genere atomi degli elementi che hanno un numero dispari di elettroni come H, N, gli alogeni ecc., hanno sempre un momento magnetico di spin, mentre per esempio, non mostrano momento magnetico di spin gli atomi dei gas nobili che hanno una configurazione elettronica esterna ns2, np6: i gas nobili sono quindi sostanze diamagnetiche.

In un insieme costituito di atomi gassosi i quali non interagiscono tra loro e ciascuno dei quali si comporti come un dipolo magnetico come, ad esempio, atomi di sodio allo stato gassoso ad alta temperatura, l’agitazione termica fa sì che i dipoli magnetici associati a ciascun atomo siano reciprocamente orientati in maniera casuale e, di conseguenza la sostanza gassosa non abbia un momento magnetico complessivo.

Il gas nel suo insieme non ha quindi un momento magnetico risultante pur essendo costituito da atomi ciascuno dei quali possiede un momento magnetico permanente. Se questa stessa sostanza gassosa è posta in un campo magnetico, i dipoli magnetici atomici tendono ad allinearsi parallelamente al campo magnetico esterno in ciò contrastati dall’agitazione termica.  Come risultato di questi due fattori che sono in competizione tra loro, agitazione termica e linee di forza del campo, la sostanza nel suo complesso assume un momento magnetico complessivo (macroscopico) che aumenta all’aumentare dell’intensità del campo e che diminuisce all’aumentare della temperatura.

Da quanto detto risulta che per sostanza paramagnetica si intende una serie di dipoli infinitesimi reciprocamente orientati in maniera statistica in assenza di campo magnetico esterno.

La maggior parte degli elementi dei blocchi d ed f si comportano in maniera diversa rispetto agli elementi dei blocchi s e p e danno comunemente composti contenenti elettroni spaiati e quindi sostanze paramagnetiche, mentre allo stato elementare presentano un magnetismo variabile entro limiti piuttosto ampi e che è spesso indipendente dalla temperatura.

Ferro, cobalto, nichel, gadolinio allo stato elementare sono, invece ferromagnetici, mentre gli atomi del gruppo IB e IIB (Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg) sono diamagnetici. Il diverso comportamento degli elementi d ed f rispetto agli elementi s e p può essere correlato alla presenza di elettroni spaiati in un caso nel livello più esterno (gli elementi s e p) e nell’altro in orbitali di livello più interni (gli elementi d ed f).

Il paramagnetismo di debole intensità e indipendente dalla temperatura degli elementi d ed f  allo stato elementare chiamato paramagnetismo di Pauli può essere visualizzato sulla base del modello a bande del legame metallico. In assenza di un campo magnetico esterno una banda contiene un ugual numero di elettroni a spin + ½ e – ½ . Quando la sostanza è immersa in un campo magnetico esterno, avviene una variazione di energia dei due gruppi di livelli contenenti gli elettroni nei due differenti stati di spin e ciò porta ad un aumento, anche se molto piccolo perché la differenza di energia è molto piccola, della popolazione dei livelli con uno stato di spin rispetto all’altro e, quindi, a un momento magnetico risultante di debole intensità. Questo tipo di paramagnetismo è responsabile anche della piccola suscettività magnetica dei metalli del I e II gruppo del sistema periodico.

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Author: Chimicamo

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