第七章磁性物理

1、第七章 磁性物理7.2原子和離子的固有磁矩7.2.1 自由原子的磁矩1電子軌道磁矩（1）波爾原子結(jié)構(gòu)模型：原子核外電子以角速度為w繞原子核做半徑為r的圓周軌道運(yùn)動(dòng)。如右圖電子軌道產(chǎn)生的磁矩電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流i：又根據(jù)電磁理論的定義，電流為i，面積為A的閉合回路中產(chǎn)生的磁矩為：-電子軌道磁矩另外，該電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量Pl：上述推導(dǎo)是根據(jù)波爾的經(jīng)典原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的，但是準(zhǔn)確的電子運(yùn)動(dòng)要用量子力學(xué)中的波函數(shù)來(lái)描述。利用量子力學(xué)模型，電子的絕對(duì)值Pl是量子化的，不連續(xù)：（2）量子力學(xué)模型 h是普朗克常數(shù)；l為角量子數(shù)，它和主量子數(shù)n有關(guān)。根據(jù)公式 波爾磁矩，理論上最小的磁矩 將電子放在外磁場(chǎng)中，根據(jù)量

2、子理論，軌道磁矩在外磁場(chǎng)方向的投影為： ml為磁量子數(shù)，ml0，±l， ± 2， ± 3， ± l，共(2l+1)個(gè)值。注：在填滿了電子的次電子層(s、p、d、f、)中，各電子的軌道運(yùn)動(dòng)分別占據(jù)了所有可能的方向，形成一個(gè)球形對(duì)稱體系，因此合成的總軌道角動(dòng)量等于零，總軌道磁矩也等于零。 所以計(jì)算原子的總軌道磁矩時(shí)，只需要考慮未填滿的那些次殼層中電子的貢獻(xiàn)。2電子自旋磁矩自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩為：s為自旋量子數(shù)，它僅能取1/2. 自旋磁矩在磁場(chǎng)中的投影為：如果s、p、d、f等次電子層填滿了電子時(shí)，電子總磁矩也為零。所以計(jì)算原子的總自旋磁矩時(shí)，只需要考慮未填滿的那

3、些次殼層中電子的貢獻(xiàn)。3原子的總磁矩LS耦合原子的總磁矩是電子軌道磁矩與自旋磁矩的總和。原子內(nèi)各電子軌道磁矩先組合成原子總的軌道磁矩；各電子的自旋磁矩先組合成原子總的自旋磁矩；然后兩者在耦合成原子的總磁矩。演算之后當(dāng)L=0時(shí)，J=S，g=2，原子總磁矩由自旋磁矩貢獻(xiàn)。當(dāng)S=0時(shí)，J=L，g1，原子總磁矩由軌道磁矩貢獻(xiàn)。HunD洪堡法則（總角量子數(shù)J的計(jì)算） LS耦臺(tái)的情況下，對(duì)那些次電子層未填滿電子的原子或離子，在基態(tài)下，其總角量子數(shù)J與總軌道量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的取值為： (1)在未填滿電子的那些次電子層內(nèi)，在泡利(Pauli)原理允許的條件下，總自旋量子數(shù)S取最大值，總軌道量子數(shù)L也取

4、最大值。 (2)次電子層未填滿一半時(shí)，原子總角量子數(shù)JL-S；次電子層滿一半或滿一半以上時(shí)，原于的總角量子數(shù)JL+S。7.2.2物質(zhì)中的原子磁矩 1、鐵氧體中的原子磁矩 在主要由Fe等3d過(guò)渡族離子組成的鐵氧體晶體時(shí)，其特點(diǎn)是對(duì)磁性有貢獻(xiàn)的3d電子基本固定在原子周圍，它受到了鄰近離子原子核的庫(kù)侖場(chǎng)以及電子作用，這一作用的平均效果等效為一個(gè)電場(chǎng)，稱為晶體場(chǎng)。在晶場(chǎng)中的3d過(guò)渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒(méi)有貢獻(xiàn)。此現(xiàn)象稱為軌道角動(dòng)量?jī)鼋Y(jié)。軌道角動(dòng)量?jī)鼋Y(jié)的物理機(jī)制： 過(guò)渡金屬的3d電子軌道暴露在外面，受晶場(chǎng)的控制。晶場(chǎng)的值為102-104(cm-1)大于自旋-軌道耦合能(l)102(cm-1). 晶場(chǎng)對(duì)電子軌道的作用是庫(kù)侖相互作用，因而對(duì)電子自旋不起作用。隨著3d電子的軌道能級(jí)在晶場(chǎng)作用下劈裂，軌道角動(dòng)量消失。 2、金屬及合金中的原子磁矩 理論計(jì)算：FeNi金屬及其合金的磁矩為mB的整數(shù)倍； 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2.2mB 解釋：能帶理論 能帶重疊，同樣能量的電子可以進(jìn)入3d，也可以進(jìn)入4s，所以不能將3d看做孤立電子來(lái)考慮。 3、稀土金屬中的原子磁矩 在稀土金屬材料中，由于產(chǎn)生磁性的4f電子在處于5s25p6電子的內(nèi)層，受到外層電子的屏蔽，很少受到周圍晶場(chǎng)影響，晶場(chǎng)對(duì)它的磁性影響遠(yuǎn)小于