磁學(xué)基礎(chǔ)知識

1、1.1 1.1 磁性、磁場和基本磁學(xué)量磁性、磁場和基本磁學(xué)量1.2 1.2 孤立原子的磁性孤立原子的磁性1.3 1.3 宏觀物質(zhì)的磁性質(zhì)宏觀物質(zhì)的磁性質(zhì)1.4 1.4 磁性體的熱力學(xué)基礎(chǔ)磁性體的熱力學(xué)基礎(chǔ) 本章回顧和總結(jié)我們在電磁學(xué)，原子物理等基礎(chǔ)課中已經(jīng)學(xué)習(xí)過的有關(guān)磁性知識，明確和統(tǒng)一我們將要用到的相關(guān)物理量的定義、符號、單位及相關(guān)公式，建立起我們深入學(xué)習(xí)的平臺；歸納和總結(jié)物質(zhì)磁性的宏觀表現(xiàn)，明確本課程要解決的問題。這些內(nèi)容都是最基礎(chǔ)的，最常用的，也是大家必須掌握和熟悉的。姜書姜書1.1-1,6節(jié)節(jié)第一章第一章 磁學(xué)基礎(chǔ)知識磁學(xué)基礎(chǔ)知識磁場磁場：在場內(nèi)運動的電荷會受到作用力的物理場在場內(nèi)運動

2、的電荷會受到作用力的物理場。 電磁學(xué)給出的定義：(見胡有秋等電磁學(xué)p202)FqvB F：運動電荷 q 受到的力；q：電荷量； v：電荷運動速度； B 稱作磁通密度磁通密度或磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度，是表征磁場方向和大小的物理量。其單位是 ：特斯拉（T = NA-1m-1 = Wbm-2）。 物質(zhì)的磁化狀態(tài)：磁化強度矢量空間總磁場是傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流和磁化電流磁化電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度之矢量和。VMi1.1 磁場、磁性和基本磁學(xué)量磁場、磁性和基本磁學(xué)量 沒有磁介質(zhì)存在（M = 0）只有傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場時，表述磁場的兩個物理量之間才存在著簡單關(guān)系： 磁場強度的單位是： 0BH1A m 介質(zhì)方程介質(zhì)方程

3、：給出磁化狀態(tài)和磁場的關(guān)系是物質(zhì)的磁化率，可以是溫度或/和磁場的函數(shù)。0BHM M：物質(zhì)的磁化強度； ：真空磁導(dǎo)率：072-10410 N A (H m ) 在上述磁場定義下，磁場強度磁場強度 H 只是作為與磁場中任意點的磁通密度相聯(lián)系的一個輔助矢量而引入的。HM 磁性是物質(zhì)的一種基本屬性，正像物質(zhì)具有質(zhì)量一樣，它磁性是物質(zhì)的一種基本屬性，正像物質(zhì)具有質(zhì)量一樣，它的特征是：物質(zhì)在非均勻磁場中要受到磁力的作用的特征是：物質(zhì)在非均勻磁場中要受到磁力的作用。在具有梯度的磁場中，物質(zhì)受力的大小和方向反映著物質(zhì)磁性的特征。 磁化率的正負(fù)和大小反映出物質(zhì)磁性的特征。粗略可以分為：（通常人們習(xí)慣說有磁物質(zhì)和

4、無磁物質(zhì)是不科學(xué)的）強磁性強磁性物質(zhì)：0，例：鐵，F(xiàn)e3O4弱磁性弱磁性物質(zhì)： 順磁性物質(zhì)： 01，例：氧氣，鋁 抗磁性物質(zhì)： 0 ， S， J 的取值為：,1,JLS LSLS（共2S+1個值）212121 ., , 1 ,ssssssS212121 ., , 1 ,llllllL如果 L S， J 的取值為：,1,JLS LSSL（共2L+1個值）其總角動量：(1)JPJ J在磁場方向上的投影是量子化的，多值的。此時不能立即給出兩個電子的總磁矩。因為總動量矩總動量矩和總磁矩的方向是不重合的和總磁矩的方向是不重合的。(1) , (1) (1) , 2(1)LLBSSBPL LL LPS SS

5、 S顯然，合成后的PJ 和 L-S 不在同一方向上，為了得到 J，必須將 L-S投影到PJ 方向上。 cos()cos()JLLJSSJP PP P可以證明：(1)JJBgJ J(1)(1)(1)12 (1)3(1)(1) 22 (1)JJ JS SL LgJ JS SL LJ J JPL SJ 從上面的例子中可以看出，L,S,J 有多種取值方式，這就導(dǎo)致有多個 PJ和J值，它們中的哪一組數(shù)值對應(yīng)于系統(tǒng)的最低能量因而是穩(wěn)定狀態(tài)下的取值？洪德洪德依據(jù)對原子光譜分析給出了一個經(jīng)驗法則經(jīng)驗法則： 1. 在泡利原理許可的條件下，總自旋量子數(shù) 取最大值。 2. 在滿足條件 1 的前提下，總軌道量子數(shù) 取

6、最大值。 3. 當(dāng)電子數(shù)未達(dá)到電子殼層總電子數(shù)的一半時， 總角量子數(shù)： 當(dāng)電子數(shù)達(dá)到或超過電子殼層總電子數(shù)的一半時， 總角量子數(shù)?。簊SmlLmJLSJLS四、基態(tài)的確定四、基態(tài)的確定-洪德法則洪德法則 常將原子的量子態(tài)用光譜學(xué)的方法來標(biāo)記：21SJL將總自旋量子數(shù)、總角量子數(shù)的數(shù)字填入相應(yīng)位置即可，總軌道量子數(shù) L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ，分別記為： S, P,D, F, G, H, I,例如：某元素的基態(tài)記作：492F即指該元素基態(tài)的總自旋量子數(shù)：S = 3/2總軌道量子數(shù)：L= 3 總角量子數(shù)：J = 9/2(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)

7、6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,1. Fe 原子：Z = 26, 電子分布是： 3d6 根據(jù)洪德法則1，5個電子自旋占據(jù)5個 的 ms 狀態(tài)，另一個只能占據(jù) 的 ms 狀態(tài)，所以總自旋：12121151222S 210( 1)( 2)224lLmJLS （根據(jù)法則 2）（根據(jù)法則 3，電子數(shù)超過一半）3(1)(1)1.522 (1)(1)6.7JJjBBS SL LgJ JgJ J2(1)4.9SBBS S五、原子磁矩計算舉例五、原子磁矩計算舉例基態(tài)基態(tài)5D4 2. Cr+3 離子：Cr 原子 Z = 24

8、，Cr+3 電子組態(tài)為 3d3133222103320.4JSLJLSg (1)0.7746JJBBgJ J電子數(shù)不到半滿，2(1)3.87SBBS S與實驗值相比， 更接近，這是因為受到晶場作用，軌道角動量被凍結(jié)的緣故，只有自旋磁矩起作用。S(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,基態(tài)基態(tài)4F3/2黃昆固體物理學(xué)p403-404離子磁距計算與實驗的比較離子磁距計算與實驗的比較4f：符合不錯。：符合不錯。姜書p34 有相同表3d：只是自旋磁矩的貢獻(xiàn)？：只是自旋

9、磁矩的貢獻(xiàn)？3d4的J 為零，但有4B磁矩，因為3d電子軌道角動量被凍結(jié) 以上關(guān)于物質(zhì)磁性惟一來源于磁矩的觀點，統(tǒng)稱為磁矩學(xué)說，或稱為磁偶極矩學(xué)說。一個很明確的結(jié)論是不存在磁單極。 1931年狄拉克從理論上論證了磁單極子存在的可能性。但至今還未曾從實驗上發(fā)現(xiàn)磁單極子。電與磁有很多相似的地方, 但麥克斯韋方程組不對稱0eDtBE0 BtDjHe0 1931年狄拉克首先提出磁單極子理論使電磁方程組變得對稱，0mBtBjEm0而且：（1） （2）不違反物理學(xué)的基本規(guī)律； （3）還涉及宇宙演化和基本粒子結(jié)構(gòu)等重大科學(xué) 問題從理論上探討了磁單極子的一些重要的 和新的特性。 從實驗上探測磁單極子的研究曾進(jìn)行的轟轟烈烈，上天入地去尋找磁單極子的存在，1975年，1982年，發(fā)生過兩次被認(rèn)為是觀測到磁單極子的事件。)221(hcnqqem？和做直線運動的電荷e 產(chǎn)生電流 je 和磁場B一樣，做直線運動的磁荷 g 也會產(chǎn)生磁流 jm 和電場E，？和做圓周運動的電荷e 產(chǎn)生電流 je 和磁場B一樣，做圓周運動的磁荷 g 也會產(chǎn)生磁流 jm 和電場E，？1.1 列表給出主要磁學(xué)量的