抗磁性與順磁性

抗磁性與順磁性第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五本章內容基本磁學性能抗磁性與順磁性鐵磁體與反鐵磁性磁性的材料與分析第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

奧地利物理學家，本世紀初一位罕見的天才，對相對論及量子力學都有杰出貢獻，因發(fā)現(xiàn)“泡利不相容原理”而獲1945年諾貝爾物理學獎。這個原理是他在1924年發(fā)現(xiàn)的，對原子結構的建立與對微觀世界的認識有革命性的影響。泡利有成就的研究還涉及以下幾個方面：相對論量子電動力學、基本粒子的自族與統(tǒng)計分布律的關系、氣體和金屬的順磁性（導致了金屬中的電子量子論）、把單粒子的波動理論推廣到多粒子、介子的解釋及核力等等。在理論物理學的每個領域里，泡利幾乎都做出過重要貢獻。泡利（Pauli)1900-1958第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

朗道（1908～1968）

蘇聯(lián)著名的物理學家。最著名的貢獻有“朗道十誡”：量子力學中的密度矩陣和統(tǒng)計物理學(1927)；自由電子抗磁性的理論(1930)；二級相變的研究(1936～1937)；鐵磁性的磁疇理論和反鐵磁性的理論解釋(1935)；超導體的混合態(tài)理論(1934)；原子核的幾率理論(1937)；氦Ⅱ超流性的量子理論(1940～1941)；基本粒子的電荷約束理論(1954)；費米液體的量子理論(1956)；弱相互作用的CP不變性(1957)。因凝聚態(tài)特別是液氦的先驅性理論，被授予1962年諾貝爾物理學獎。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)抗磁性與順磁性物質磁性的分類物質的抗磁性物質的順磁性金屬的抗磁性與順磁性影響因素測量與應用第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五1.物質磁性的分類一切物質都具有磁性，任何空間都存在磁場，只是強弱不同而已。磁化率：材料的磁化強度M與外磁場強度H的比值。它的大小反映了物質磁化的難易程度，也是對物質磁性分類的主要依據(jù)。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五磁體的分類抗磁體順磁體反鐵磁體鐵磁體亞鐵磁體磁化率為甚小的負常數(shù)，約為10-6數(shù)量級磁化率為正常數(shù)，約為10-3~10-6數(shù)量級磁化率為甚小的正常數(shù)，當T高于某個溫度時，其行為像順磁體。磁化率為很大的正變數(shù)，約為10~106數(shù)量級過渡族金屬貴金屬，稀土金屬，堿金屬如α-Mn、鉻、氧化鎳、氧化錳等鐵、鈷、鎳類似鐵磁體，但磁化率沒有鐵磁體那樣大四氧化三鐵等弱磁體強磁體第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五MH鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料五類磁體的磁化曲線0第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)抗磁性與順磁性物質磁性的分類物質的抗磁性物質的順磁性金屬的抗磁性與順磁性影響因素測量與應用第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2.物質的抗磁性外加磁場所感生的軌道矩改變抗磁性TORH抗磁性是普遍存在的，它是所有物質在外磁場作用下毫不例外地具有的一種屬性，大多數(shù)物質的抗磁性因為被較強的順磁性所掩蓋而不能表現(xiàn)出來。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五產(chǎn)生機理外磁場穿過電子軌道時，引起的電磁感應使軌道電子加速。根據(jù)Lenz定律，由軌道電子的這種加速運動所引起的磁通，總是與外磁場變化相反，因而磁化率是負的。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五郎之萬順磁性理論每個原子內有z個電子，每個電子有自己的運動軌道，在外磁場作用下，電子軌道繞H進動，進動頻率為ω，稱為Lamor進動頻率。由于軌道面繞磁場進動，使電子運動速度有一個變化⊿v，電子軌道磁矩增加⊿μ，但方向與磁場相反，使總的電子軌道磁矩減小?？傊?，由于磁場作用引起電子軌道磁矩減小，表現(xiàn)出抗磁性。第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五無論電子順時針運動還是逆時針運動，所產(chǎn)生的附加磁矩△m都與外加磁場的方向相反，故稱為抗磁矩。一個電子在外加磁場H的作用下，產(chǎn)生的的抗磁矩為式中，負號表示△ml與H的方向相反;分母me為電子質量一個原子常有z個電子，每個電子都要產(chǎn)生抗磁矩，由于電子的軌道半徑不同，故一個原子的抗磁矩為任何材料在磁場作用下都要產(chǎn)生抗磁性，與溫度、外磁場無關。從廣義上來說，超導也是一種抗磁性。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)抗磁性與順磁性物質磁性的分類物質的抗磁性物質的順磁性金屬的抗磁性與順磁性影響因素測量與應用第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五物質的順磁性主要源于原子內部存在永久磁矩。3.物質的順磁性順磁性描述的是一種弱磁性，它呈現(xiàn)出正的磁化率，大小為10-6~10-3.C為居里常數(shù)，TP為順磁性居里溫度。TOTO順磁性的磁化率滿足以下規(guī)律：少部分大部分表示在某一個溫度之上才顯示順磁性第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五郎之萬順磁性理論理論的基本概念：順磁性物質的原子間無相互作用（類似于稀薄氣體狀態(tài)），在無外場時各原子磁矩在平衡狀態(tài)下呈現(xiàn)出混亂分布，總磁矩為零，當施加外磁場時，各原子磁矩趨向于H方向。順磁磁化過程示意圖(a)無磁場(b)弱磁場(c)強磁場第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五順磁體的分類正常順磁體磁化率與溫度無關的順磁體存在反鐵磁體轉變的順磁體磁化率服從居里定律或居里–外斯定律。對于存在鐵磁轉變的物質，在居里點以上服從居里–外斯定律。稀土金屬，在居里點以上的鐵磁金屬等。堿金屬等。過渡族金屬及其合金或它們的化合物。反鐵磁體當溫度高于尼爾點（TN）時，表現(xiàn)為順磁體。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)抗磁性與順磁性物質磁性的分類物質的抗磁性物質的順磁性金屬的抗磁性與順磁性影響因素測量與應用第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五4.金屬的抗磁性與順磁性①金屬的抗磁性——朗道抗磁性按照經(jīng)典理論，傳導電子是不可能出現(xiàn)抗磁性的。因為外加磁場（由于洛倫茲力垂直于電子的運動方向）不會改變電子系統(tǒng)的自由能及其分布函數(shù)，因此磁化率為零。另一經(jīng)典的圖象：在外磁場作用下形成的環(huán)形電流在金屬的邊界上反射,因而使金屬體內的抗磁性磁矩為表面“破折軌道”的反向磁矩抵消，不顯示抗磁性。第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五1930年朗道最早指出，在量子力學理論內，這個結論是不正確的。他首先證明，外磁場作用下的回旋運動使電子的能量量子化，從連續(xù)的能級變?yōu)椴贿B續(xù)的能級，正是這種量子化引起了導體能量隨磁場強度的變化，從而表現(xiàn)出抗磁性。這種量子化的能級被后人稱為朗道能級，由于存在朗道能級而產(chǎn)生的抗磁性稱作朗道抗磁性。

固體物理“在恒定磁場中電子的運動”一節(jié)中已經(jīng)解釋了這種能量量子化的起因，并且以此解釋了磁化率隨磁場倒數(shù)呈周期性變化的現(xiàn)象（德·哈斯-范阿爾芬效應）。具體內容這里不再重復，下面兩張圖生動地反映了朗道能級以及隨磁場的變化。第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五能級寬度隨磁場變化第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五定性說明：黃昆書p266～268能量上升能量不變能量上升至最大能量上升又開始下降第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五如果把電子看成符合經(jīng)典統(tǒng)計的自由粒子，同樣用類似2.2節(jié)中的方法，可以得出抗磁磁化率的表達式：（詳見姜書p42-43）N為單位體積電子數(shù)。上式給出的與T有關，這與事實不符，原因是電子氣不遵從玻耳茲曼統(tǒng)計，而是服從費密(Fermi)統(tǒng)計。不是所有電子都參與了抗磁性作用，只有費密面附近的電子才會對抗磁性有所貢獻。傳導電子的抗磁磁化率第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五其中TF為費密面能級EF決定的費密溫度。用N’代替N后，得到

此時的磁化率與溫度無關，稱為朗道抗磁性。金屬中的導電電子除具有抗磁性外，還同時具有不可分開的順磁性。索末菲電子論告訴我們，能參與貢獻的電子數(shù)為N’,

第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五②金屬的順磁性——泡利順磁性第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五小結第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)抗磁性與順磁性物質磁性的分類物質的抗磁性物質的順磁性金屬的抗磁性與順磁性影響因素測量與應用第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.影響材料抗磁性與順磁性的因素在外磁場作用下電子的循軌運動要產(chǎn)生抗磁矩；離子的固有磁矩產(chǎn)生順磁矩，固有磁矩來自于未相互抵消的自旋磁矩；自由電子的主要貢獻是順磁性。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五1.原子結構的影響惰性氣體：抗磁性非金屬：除氧氣、石墨外，都是抗磁性金屬：復雜，與在周期表中所處的位置相關第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2.溫度的影響抗磁性：在相變溫度（熔化、凝固、同素異構轉變）影響抗磁磁化率；順磁性：影響很大。居里定律居里-外斯定律第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五3.相變及組織轉變的影響當材料發(fā)生同素異構轉變時，晶格類型及原子間距發(fā)生變化，會影響電子運動狀態(tài)而導致磁化率的變化。例如，正方晶格的白錫轉變?yōu)榻饎偸Y構的灰錫時，磁化率明顯變化。當材料發(fā)生其他相變時，也會影響磁化率，影響的規(guī)律比較復雜。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五加工硬化對金屬的抗磁性影響也很明顯。加工硬化使金屬的原子間距增大而密度減小，從而使材料的抗磁性減弱。例如，當高度加工硬化時，銅可以由抗磁變?yōu)轫槾?。退火與加工硬化的作用相反，能使銅的抗磁性重新得到恢復。第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五4.合金成分與組織的影響合金由不同元素和形式組成時對磁性會有很大的影響，形成固溶體合金時磁化率因原子之間結合的改變而有較明顯的變化通常，由弱磁化率的兩種金屬組成固溶體時，其磁化率和成分按接近于直線的平滑曲線變化，如Al-Cu合金的α固溶體等。由抗磁金屬為溶劑、強順磁金屬(或鐵磁金屬)為溶質形成固溶體時，情況則比較復雜。當固溶體合金有序化時，由于溶劑、溶質原子呈現(xiàn)有規(guī)則的交替排列，使原子之間結合力隨之改變，因而導致合金磁化率發(fā)生明顯變化。第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五合金形成中間相(金屬化合物)時，其磁化率將發(fā)生突變。中間相結構中由于自由電子數(shù)減少，幾乎無固有原子磁矩，所以中間相的抗磁性很高。當形成兩相合金時，在兩相區(qū)范圍內，其磁化率隨成分的變化呈直線關系。第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五Cu-Zn合金的磁化率磁化率隨合金成分變化規(guī)律第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)物質的抗磁性與順磁性物質磁性的分類物質的抗磁性物質的順磁性金屬的抗磁性與順磁性影響因素測量與應用第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五6.測量及應用1）用磁秤法測量磁化率磁稱結構原理示意圖皮埃爾·居里發(fā)明，主要用于弱磁性測量。磁秤法的優(yōu)點：①不僅適合弱磁性的測量，也適用于鐵磁性的測量；②可進行連續(xù)測量，如可對加熱和冷卻過程中的組織的變化及合金的相分析進行跟蹤研究。第43頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2）抗磁與順磁分析的應用材料研究：通過磁化率的變化來分析合金組織的變化，以及這些變化與溫度和成分之間的關系。(1)確定合金相圖中的最大溶解度曲線原理：單相固溶體的順磁性與兩相混合組織的順磁性不同，且混合物的順磁性與合金成分之