Paramagnetismus

Paramagnetism

paramagnetism

Der Paramagnetismus ist eine Form des Magnetismus, bei der ein Stoff (z. B. antikörperbeschichtete Latexbeads) ohne äußeres Magnetfeld H kein messbares magnetisches Moment zeigt, in Anwesenheit eines äußeren Feldes jedoch eine Magnetisierung M erhält.

Bei den magnetischen Eigenschaften von Stoffen unterscheidet man zwischen ferro-, antiferro oder ferrimagnetischen Materialien und den dia- und paramagnetischen Stoffen. Die Grundlage der Unterscheidung ist das Verhalten von Stoffen im inhomogenen Magnetfeld. Solche Materialien, die sich von Stellen hoher Magnetfeldstärke zu Stellen geringer Feldstärke bewegen, sind Diamagnetika, und die Abstoßung im Magnetfeld ist temperaturunabhängig. Dagegen sind die Stoffe, die sich entgegengesetzt verhalten, also beim inhomogenen Magnetfeld in Richtung des stärkeren Feldes wandern, Paramagnetika. Die Anziehung der Paramagnetika ist temperaturabhängig.

Im Unterschied zum Diamagnetismus ist der Paramagnetismus gleichgerichtet zum äußeren Feld und verstärkt dieses. Außerdem ist der Effekt betragsmäßig wesentlich größer. Dies liegt daran, dass im Gegensatz zu den Diamagnetika, bei denen durch das äußere Feld die mikroskopischen magnetischen Momente erst induziert werden und ihrer Ursache entgegenwirken (Lenz-Regel), die Paramagnetika permanente mikroskopische Dipole haben, die vom äußeren Feld lediglich ausgerichtet werden. Aufgrund der thermischen Bewegung sind diese Dipole bei den Paramagnetika bei Zimmertemperatur statistisch verteilt, da die Wärmeenergie dann weitaus größer ist als die zum Umklappen der Spins benötigte Energie.

Eine Messanordnung zur Unterscheidung von dia- und paramagnetischen Materialien ist die magnetische Waage, mit der man die Kraft misst, die ein inhomogenes Magnetfeld auf die Probe in diesem Feld ausübt.

Die Magnetisierung M eines Stoffes ist der magnetischen Feldstärke H proportional: M = χ × H. Der Faktor χ ist die magnetische Suszeptibilität (meist als molare oder Molsuszeptibilität χ_mol angegeben). Die Suszeptibilität hat im Falle des Diamagnetismus ein negatives, in den übrigen Fällen ein positives Vorzeichen. Beim Dia- und Paramagnetismus ist sie unabhängig vom angelegten Magnetfeld.

Die Messung der magnetischen Suszeptibilität wird zur Strukturaufklärung von Komplexen der Übergangsmetalle angewendet, auch in biologischen Systemen.

Eine weitere sehr wichtige Anwendung des Paramagnetismus sind die bildgebenden Verfahren in der Medizin. Das am häufigsten eingesetzte Kontrastmittel verwendet das paramagnetische Gadolinium Gd³⁺ , das T1 verkürzt, die Spin-Gitter-Relaxation der Protonen des Gewebes. Am häufigsten wird der Gadolinium Chelatkomplex Gd-DTPA („gadolinium-diehtylentriamine pentaacetic acid“).

In der Klinischen Chemie werden paramagnetische Partikel, z. B. Polystyrolkügelchen („beads“), die mit Antikörpern oder (seltener) mit Antigenen kovalent beschichtet sind, zur Free/bound-Trennung von gebundenen und freien Reaktionspartnern beim Enzymimmunoassay (ELISA) oder bei Zellseparationen eingesetzt.