物質(zhì)磁性來(lái)源以及分類

1、關(guān)于物質(zhì)的磁性來(lái)源及分類第一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一切物質(zhì)磁性的根源，來(lái)自原子磁性原子磁矩有三個(gè)來(lái)源： 電子軌道磁矩； 電子自旋磁矩； 原子核磁矩；原子核磁矩值很小，一般可忽略不計(jì)。2.1 原子磁矩第二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2原子核外電子排布規(guī)律多電子原子中，電子排布的準(zhǔn)則有兩條： 泡利不相容原理和能量最低原理 大體可以歸納為： 由n、l、ml和ms四個(gè)量子數(shù)確定以后，電子所處的位置隨之而定。這四個(gè)量子數(shù)都相同的電子最多只能有一個(gè) n、l和ml三個(gè)量子數(shù)都相同的電子最多只能有兩個(gè) ， ms只能為1/2 n、l兩個(gè)量子數(shù)相同的電子最多只有2（2l1）個(gè) ， m

2、l從-l到+l共有（2l1）個(gè)可取值 主量子數(shù)相同的電子最多只有2n2個(gè) ，對(duì)于確定的n值，l可取l0，1，2，（n1）共n個(gè)可能值 滿電子殼層的總動(dòng)量和總磁矩都為零。未填滿電子的殼層上才有未成對(duì)的電子磁矩對(duì)原子的總磁矩作出貢獻(xiàn)。這種未滿殼層稱為磁性電子殼層。第三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 ( n = 3 )主量子數(shù)相同的電子數(shù)最多：主量子數(shù) n 代表主殼層，軌道量子數(shù) l 代表次殼層，能量相同的電子可以視為分布在同一殼層上。第四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 大多數(shù)原子基態(tài)的電子組態(tài)可以按此規(guī)律給出。少數(shù)元素有些變化，如：Cu:3d10,4s1Cr: :3d5,4s

3、1見(jiàn)結(jié)構(gòu)與物性p15基態(tài)原子的電子在原子軌道中填充的順序是：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d第五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月n123主殼層符號(hào)KLMl001012次殼層符號(hào)sspspdml00101010121012ms狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)2262610818n4主殼層符號(hào)Nl0123次殼層符號(hào)spdfml0101210123210123ms狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)26101432表1電子殼層劃分及狀態(tài)數(shù)續(xù)表第六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6原子核+26K (n=1)L (n=2)M (n=3)N (n=

4、4)1s12p62s23p63s23d64s2Fe的電子殼層和電子軌道第七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7電子軌道磁矩ivm=iSre電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軌道磁矩和動(dòng)量矩方向相反第八張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8引入量子力學(xué)方法：（l0，1，2，n1 h為普朗克常數(shù)，h6.62561034JS ）（ =9.27301024Am2 ，稱為波爾磁子)第九張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9因?yàn)?jl=0l ,同理會(huì)得出：=1.166010-29Wbm在SI單位之中采用 的定義。第十張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月10電子自旋磁矩S1/2，pS=自旋在磁場(chǎng)方向的分量

5、(ms只可能等于1/2 )實(shí)驗(yàn)表明：（S1/2， ）第十一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11則電子的總磁矩可以寫成：其中，g稱為磁力比因子。當(dāng)完全來(lái)源于軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，g=1；全部來(lái)源于自旋時(shí)，g=2；兩者同時(shí)做貢獻(xiàn)時(shí)，1g第三十三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月33優(yōu)點(diǎn)：物理圖像直觀清晰，數(shù)學(xué)方法簡(jiǎn)單；很好的解釋了自發(fā)磁化強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，得到了居里溫度；分子場(chǎng)和磁疇被后來(lái)的理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)。缺點(diǎn)：沒(méi)有指出分子場(chǎng)的本質(zhì)，忽略了相互作用細(xì)節(jié)；處理低溫和居里溫度附近的磁行為時(shí)出現(xiàn)偏差。分子場(chǎng)理論是解釋鐵磁物質(zhì)微觀磁性的唯象理論第三十四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月34海

6、森堡交換相互作用模型 交換作用模型認(rèn)為，鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用，這種交換作用只發(fā)生在近鄰原子之間。系統(tǒng)內(nèi)部原子之間的自旋相互作用能為：A為交換積分，Si和Sj為發(fā)生交換相互作用原子的自旋。原子處于基態(tài)時(shí)，系統(tǒng)最為穩(wěn)定，要求Eex0。當(dāng)A0時(shí)，（SiSj）0時(shí)，（SiSj）0，自旋平行為基態(tài)。反鐵磁性鐵磁性第三十五張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月35居里溫度由海森堡理論可以計(jì)算出居里溫度：鐵磁體的居里溫度正比于交換積分。居里溫度的本質(zhì)是：居里溫度是鐵磁體內(nèi)部靜電交換作用強(qiáng)弱在宏觀上的表現(xiàn)，交換作用愈強(qiáng)，自旋平行取向的能力愈大，要破壞這種作用，需要的熱能也愈高，宏觀上

7、就表現(xiàn)出居里溫度愈高。第三十六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月36海森堡理論的評(píng)價(jià)海森堡理論第一次正確的說(shuō)明了自發(fā)磁化的本質(zhì)，指出了分子場(chǎng)的性質(zhì)和來(lái)源是由于強(qiáng)烈的靜電交換相互作用；優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：模型過(guò)于簡(jiǎn)單，很難用于定量計(jì)算實(shí)際物質(zhì)第三十七張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月37鐵磁性假說(shuō)：（1）在鐵磁性物體中存在著與外磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化強(qiáng)度，即分子場(chǎng)“Hm”，其在數(shù)值上等于技術(shù)飽和磁化強(qiáng)度MS；這種自發(fā)磁化強(qiáng)度的大小與物體所處的溫度有關(guān)；對(duì)于每一種鐵磁體都有一個(gè)完全確定的溫度（居里點(diǎn)），在該溫度以上物質(zhì)完全失去鐵磁性。（2）為解決無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體的磁化強(qiáng)度為零與假設(shè)的矛盾，外斯又提

8、出磁疇的概念；鐵磁體的自發(fā)磁化分成若干區(qū)域，稱為磁疇，雖然一個(gè)磁疇內(nèi)磁化方向相同，但由于各個(gè)磁疇的磁化方向不同，所以大塊磁鐵對(duì)外不顯示磁性。第三十八張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月38在原子的電子殼層中存在沒(méi)有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生順磁性的必要條件，此條件同樣適用于鐵磁性的產(chǎn)生。例如鐵、鈷、鎳的核外電子排布為3s2p6d6 4s2、3s2p6d7 4s2、3s2p6d8 4s2，因此可知其不滿狀態(tài)為3d狀態(tài)，且分別有四個(gè)、三個(gè)和二個(gè)空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來(lái)，將得到較大磁矩，理論上其磁矩分別為4B， 3B和2B。但并不是所有滿足此條件的都是鐵磁性材料。量子力學(xué)認(rèn)為，物

9、質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來(lái)源于靜電的相互交換作用。正是由于這種作用對(duì)系統(tǒng)能量的影響，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列。第三十九張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月39系統(tǒng)的靜電能還依賴于電子自旋的相對(duì)取向，因此，氫分子的能量E已不是簡(jiǎn)單地等于兩個(gè)原子基態(tài)能量之和E0為原子處于基態(tài)時(shí)的能量，C是由于電子之間、核與電子之間的庫(kù)侖作用而增加的能量項(xiàng)，而A可以看做是兩個(gè)原子的電子交換位置而產(chǎn)生的相互作用能，稱為交換能或交換積分，它與原子間電荷分布的重疊有關(guān)。由上式可看出，自旋平行時(shí)系統(tǒng)的能量E1和自旋反平行時(shí)系統(tǒng)的能量E2究竟哪一個(gè)低看，即哪一個(gè)處于穩(wěn)定態(tài)的關(guān)鍵在于交換積分A的符號(hào)。如果A

10、E2，即電子自旋反平行排列為穩(wěn)定態(tài)；反之，若A0，則電子自旋平行排列為穩(wěn)定態(tài)。第四十張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月40由以上討論可知，物質(zhì)要具有鐵磁性必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：首先是原子內(nèi)部要有未滿電子殼層，即原子總磁矩不為零；其次是rab/d之比大于3使交換積分A為正，即要滿足一定的晶體結(jié)構(gòu)要求。第四十一張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月412.5 材料的反鐵磁性反鐵磁性物質(zhì)的特征 反鐵磁性物質(zhì)存在一相變 溫度，叫做奈爾溫度TN； 反鐵磁性物質(zhì)的原子磁矩呈 有序排列。 當(dāng)TTN時(shí)，反鐵磁性物質(zhì)表現(xiàn)出與順磁性類似的行為； 當(dāng)TTN時(shí)，其磁化率反而隨溫度下降而減??； 在TTN時(shí)，其磁

11、化率為極大值。 第四十二張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月42超交換作用模型第四十三張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月43“次晶格”反鐵磁體中的磁性離子構(gòu)成的晶格，可以分為兩個(gè)相等而又相互貫穿的“次晶格”A和“次晶格”B。 A位的離子只有B位離子作為最近鄰，次近鄰才是A；B位亦然。第四十四張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月44定域分子場(chǎng)設(shè)A位和B位上的是同等粒子，AABBii，ABBA ，考慮外加磁場(chǎng)：應(yīng)用順磁性理論，可以求出熱平衡時(shí)某一次晶格的磁化強(qiáng)度。由于“次晶格”中A位和B位上的分子場(chǎng)是不同的，故稱定域分子場(chǎng)作用在A位和B位上定域分子場(chǎng):以A位為例:第四十五張，PPT共

12、五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月452.6 材料的亞鐵磁性亞鐵磁性物質(zhì)的特征 1） 當(dāng)溫度低于鐵磁居里溫度時(shí)，亞鐵磁性物質(zhì)呈現(xiàn)出與鐵磁性相似的宏觀磁性，但其自發(fā)磁化強(qiáng)度較低。因?yàn)閬嗚F磁性實(shí)際上是未抵消的反鐵磁性，所以只有較低的自發(fā)磁化強(qiáng)度。2） 當(dāng)溫度高于鐵磁居里溫度時(shí)，亞鐵磁體呈現(xiàn)順磁性。3） 當(dāng)溫度低于鐵磁居里溫度時(shí)，其ferT曲線不服從居里外斯定律。以尖晶石型鐵氧體為例，晶體中兩種次晶格（A位和B位）上的金屬離子都具有磁矩。兩種次晶格單位體積磁矩分別為MA和MB，則材料的自發(fā)磁化強(qiáng)度為MSMAMB。由于MA和MB與溫度的變化關(guān)系具有一定的獨(dú)立性，所以使MS與T的關(guān)系表現(xiàn)為多種類型。目前實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)了三種情況。4） 亞鐵磁性物質(zhì)中的典型材料鐵氧體的電阻率很高，可達(dá)1010m。 第四十六張，PPT共五十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月46尖晶石鐵氧體M2+Fe3+2O4尖晶石MgAl2O