Nell’ambito dell’elettromagnetismo, la suscettività magnetica è una grandezza fondamentale che descrive quanto un materiale tende a magnetizzarsi quando viene immerso in un campo magnetico esterno. In altre parole, misura la risposta magnetica della materia: quanto un materiale si lascia influenzare e contribuisce a rinforzare o attenuare il campo applicato.
Si tratta di una costante di proporzionalità adimensionale che esprime il grado di magnetizzazione indotta in un materiale in funzione dell’intensità del campo magnetico esterno. Materiali diversi mostrano comportamenti differenti: alcuni si magnetizzano debolmente, altri in modo molto marcato, mentre altri ancora si oppongono alla magnetizzazione.
Quando una sostanza viene posta in un campo magnetico, può risultare più o meno permeabile alle linee di forza del campo rispetto al vuoto. Questo significa che il campo magnetico all’interno del materiale non coincide con quello nello spazio libero: la materia modifica il comportamento del campo, aumentando o diminuendo la densità di linee magnetiche al suo interno.
La suscettività magnetica è quindi uno strumento chiave per comprendere il comportamento magnetico dei materiali e per classificarli in diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici, ciascuno con caratteristiche ben distinte.
Campo magnetico
Il campo magnetico all’interno di una sostanza B è legato al campo magnetico nel vuoto H° dalla relazione:
B = H° + 4 πI
Il magnetismo indotto per unità di volume della sostanza o intensità di magnetizzazione I è proporzionale alla intensità del campo H° secondo la relazione
I = k H°
La costante di proporzionalità k è la suscettività magnetica per unità di volume della sostanza ed è caratteristica di ogni sostanza.
campo magnetico
Da un punto di vista chimico è più indicata la suscettività riferita a una mole di sostanza χM chiamata suscettività molare. Se ρ è la densità del campione la suscettività per grammo è k/ρ = χg e infine χM= χg M dove M è la massa in grammi di una mole della sostanza.
Se NA molecole o atomi identici, contenenti ciascuno uno o più elettroni spaiati, sono liberi di muoversi, essi tendono ad allinearsi sotto l’azione delle linee di forza di un campo magnetico esterno. A questa tendenza si oppone l’energia termica delle molecole che tende, invece, ad orientarle in modo casuale e a dare quindi una risultante nulla.
In conseguenza a ciò il momento magnetico risultante di queste NA molecole o atomi, quale si ottiene sperimentalmente è direttamente proporzionale al campo magnetico applicato H e inversamente proporzionale alla temperatura T. Il momento magnetico medio m è legato al momento magnetico reale μ di ogni atomo o molecola che è invece una costante dalla relazione:
m = μ2H / 3kT
Molte scoperte sul magnetismo e sugli effetti elettrici e magnetici dell’elettromagnetismo sono dovute al fisico scozzese James Clerk Maxwell
Suscettività magnetica
Poiché la suscettività magnetica molare è legata al momento magnetico medio dalla relazione:
χM = mNA/ H
combinando le due relazioni si ha:
χM = μ2NA / 3kT (1)
ovvero χM =C/T
La suscettività paramagnetica molare di una sostanza è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta ( legge di Curie). Nei problemi chimici i momenti magnetici delle molecole sono espressi come momenti magnetici efficaci in unità chiamate magnetoni di Bohr ( 1 BM = 9.27 x 10-24 JT-1).
Dall’equazione (1) si ha:
μ = √3kT χM/NA
Ed essendo μ = μeffβ dove β è il magnetone di Bohr si ha infine:
μeff(BM) = √3kT χM/β2NA
Da misure sperimentali di χM si può quindi risalire al momento magnetico espresso in magnetoni di Bohr di un singolo atomo o molecola.
Momento magnetico efficace
Il momento magnetico efficace di un atomo o di una molecola in BM è correlato al numero di elettroni spaiati che sono presenti. Si supponga di avere atomi o ioni isolati, liberi cioè da qualsiasi perturbazione esterna che non sia quella di un campo magnetico esterno. Il momento magnetico efficace in BM associato al momento angolare di spin è dato dall’espressione:
μeff = √4S(S+1)
dove S è il massimo valore della risultante dei numeri quantici di spin ∑ms. Quando un atomo o una molecola possiede un elettrone spaiato ms = S = ½ e μeff = 1.73 BM.
Per due elettroni spaiati ∑ms = + ½ + ½ = 1= S e μeff = 2,83 BM.
Considerando anche il momento angolare orbitale e il momento magnetico ad esso associato il momento magnetico complessivo è dato dalla relazione:
μeff = √4S(S+1) + L(L+1) (2)
in cui L è il valore massimo della risultante dei numeri quantici magnetici ∑ml.
Gli elettroni s non hanno momento angolare orbitale e quindi non hanno neppure momento magnetico orbitale. Altre configurazioni elettroniche in cui il momento angolare orbitale è uguale a zero sono p3, d5, f7 a spin paralleli. Nei casi in cui il momento orbitale dell’atomo libero non sia nullo, i valori sperimentali dei momenti magnetici sono quasi sempre diversi da quelli calcolati dalla (2) a causa del parziale annullamento dei momenti angolari orbitali negli atomi legati tra loro.
