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1、关于物质的磁性来关于物质的磁性来源及分类源及分类第一页，本课件共有50页2一切物质磁性的根源，来自原子磁性原子磁矩有三个来源：电子轨道磁矩；电子自旋磁矩；原子核磁矩；原子核磁矩值很小，一般可忽略不计。2.1 原子磁矩第二页，本课件共有50页3原子核外电子排布规律多电子原子中，电子排布的准则有两条：泡利不相容原理和能量最低原理 大体可以归纳为：由n、l、ml和ms四个量子数确定以后，电子所处的位置随之而定。这四个量子数都相同的电子最多只能有一个 n、l和ml三个量子数都相同的电子最多只能有两个，ms只能为1/2 n、l两个量子数相同的电子最多只有2（2l1）个，ml从-l到+l共有（2l1）个可
2、取值 主量子数相同的电子最多只有2n2个，对于确定的n值，l可取l0，1，2，（n1）共n个可能值 满电子壳层的总动量和总磁矩都为零。未填满电子的壳层上才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩作出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。第三页，本课件共有50页(n=3)主量子数相同的电主量子数相同的电子数最多：子数最多：主量子数 n 代表主壳层，轨道量子数 l 代表次壳层，能量相同的电子可以视为分布在同一壳层上。第四页，本课件共有50页 大多数原子基态的电子组态可以按此规律给出。少数元素有些变化，如：Cu:3d10,4s1Cr:3d5,4s1见见结构与物性结构与物性p15基态原子的电子在原子轨道中填充的
3、顺序是：1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d第五页，本课件共有50页6n123主壳层符号KLMl001012次壳层符号sspspdml00101010121012ms状态数或最多电子数2262610818n4主壳层符号Nl0123次壳层符号spdfml0101210123210123ms状态数或最多电子数26101432表1电子壳层划分及状态数续表第六页，本课件共有50页7原子核+26K (n=1)L (n=2)M (n=3)N (n=4)1s12p62s23p63s23d64s2Fe的电子壳层和电子轨道第七页，本课件共有5
4、0页8电子轨道磁矩ivm=iSre电子轨道运动产生的轨道磁矩和动量矩方向相反第八页，本课件共有50页9引入量子力学方法：（l0，1，2，n1 h为普朗克常数，h6.62561034JS）（=9.27301024Am2，称为波尔磁子)第九页，本课件共有50页10因为 jl=0l,同理会得出：=1.166010-29Wbm在SI单位之中采用 的定义。第十页，本课件共有50页11电子自旋磁矩S1/2，pS=自旋在磁场方向的分量(ms只可能等于1/2)实验表明：（S1/2，）第十一页，本课件共有50页12则电子的总磁矩可以写成：其中，g称为磁力比因子。当完全来源于轨道运动时，g=1；全部来源于自旋时，
5、g=2；两者同时做贡献时，1g第三十三页，本课件共有50页34优点：物理图像直观清晰，数学方法简单；很好的解释了自发磁化强度随温度的变化规律，得到了居里温度；分子场和磁畴被后来的理论和实验证实。缺点：没有指出分子场的本质，忽略了相互作用细节；处理低温和居里温度附近的磁行为时出现偏差。分子场理论是解释铁磁物质微观磁性的唯象理论第三十四页，本课件共有50页35海森堡交换相互作用模型 交换作用模型认为，铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用，这种交换作用只发生在近邻原子之间。系统内部原子之间的自旋相互作用能为：A为交换积分，Si和Sj为发生交换相互作用原子的自旋。原子处于基态时，系统最为稳定，
6、要求Eex0。当A0时，（SiSj）0时，（SiSj）0，自旋平行为基态。反铁磁性铁磁性第三十五页，本课件共有50页36居里温度由海森堡理论可以计算出居里温度：铁磁体的居里温度正比于交换积分。居里温度的本质是：居里温度是铁磁体内部静电交换作用强弱在宏观上的表现，交换作用愈强，自旋平行取向的能力愈大，要破坏这种作用，需要的热能也愈高，宏观上就表现出居里温度愈高。第三十六页，本课件共有50页37海森堡理论的评价海森堡理论第一次正确的说明了自发磁化的本质，指出了分子场的性质和来源是由于强烈的静电交换相互作用；优点：缺点：模型过于简单，很难用于定量计算实际物质第三十七页，本课件共有50页38+铁磁性假
7、说：+（1）在铁磁性物体中存在着与外磁场无关的自发磁化强度，即分子场“Hm”，其在数值上等于技术饱和磁化强度MS；这种自发磁化强度的大小与物体所处的温度有关；对于每一种铁磁体都有一个完全确定的温度（居里点），在该温度以上物质完全失去铁磁性。+（2）为解决无外磁场时铁磁体的磁化强度为零与假设的矛盾，外斯又提出磁畴的概念；铁磁体的自发磁化分成若干区域，称为磁畴，虽然一个磁畴内磁化方向相同，但由于各个磁畴的磁化方向不同，所以大块磁铁对外不显示磁性。第三十八页，本课件共有50页39+在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生顺磁性的必要条件，此条件同样适用于铁磁性的产生。例如铁、钴、镍的核外电子
8、排布为3s2p6d6 4s2、3s2p6d7 4s2、3s2p6d8 4s2，因此可知其不满状态为3d状态，且分别有四个、三个和二个空位。如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将得到较大磁矩，理论上其磁矩分别为4B，3B和2B。但并不是所有满足此条件的都是铁磁性材料。+量子力学认为，物质内部相邻原子的电子之间存在一种来源于静电的相互交换作用。正是由于这种作用对系统能量的影响，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列。第三十九页，本课件共有50页40+系统的静电能还依赖于电子自旋的相对取向，因此，氢分子的能量E已不是简单地等于两个原子基态能量之和+E0为原子处于基态时的能量，C是由于电子之间、核与电子
9、之间的库仑作用而增加的能量项，而A可以看做是两个原子的电子交换位置而产生的相互作用能，称为交换能或交换积分，它与原子间电荷分布的重叠有关。由上式可看出，自旋平行时系统的能量E1和自旋反平行时系统的能量E2究竟哪一个低看，即哪一个处于稳定态的关键在于交换积分A的符号。如果AE2，即电子自旋反平行排列为稳定态；反之，若A0，则电子自旋平行排列为稳定态。第四十页，本课件共有50页41+由以上讨论可知，物质要具有铁磁性必须同时具备两个条件：首先是原子内部要有未满电子壳层，即原子总磁矩不为零；其次是rab/d之比大于3使交换积分A为正，即要满足一定的晶体结构要求。第四十一页，本课件共有50页422.2.
10、5 5 材料的反铁磁性材料的反铁磁性反铁磁性物质的特征 反铁磁性物质存在一相变 温度，叫做奈尔温度TN；反铁磁性物质的原子磁矩呈 有序排列。当TTN时，反铁磁性物质表现出与顺磁性类似的行为；当TTN时，其磁化率反而随温度下降而减小；在TTN时，其磁化率为极大值。第四十二页，本课件共有50页43超交换作用模型第四十三页，本课件共有50页44“次晶格”反铁磁体中的磁性离子构成的晶格，可以分为两个相等而又相互贯穿的“次晶格”A和“次晶格”B。A位的离子只有B位离子作为最近邻，次近邻才是A；B位亦然。第四十四页，本课件共有50页45定域分子场设A位和B位上的是同等粒子，AABBii，ABBA，考虑外加
11、磁场：应用顺磁性理论，可以求出热平衡时某一次晶格的磁化强度。由于“次晶格”中A位和B位上的分子场是不同的，故称定域分子场作用在A位和B位上定域分子场:以A位为例:第四十五页，本课件共有50页462.2.6 6 材料的亚铁磁性亚铁磁性物质的特征 1）当温度低于铁磁居里温度时，亚铁磁性物质呈现出与铁磁性相似的宏观磁性，但其自发磁化强度较低。因为亚铁磁性实际上是未抵消的反铁磁性，所以只有较低的自发磁化强度。2）当温度高于铁磁居里温度时，亚铁磁体呈现顺磁性。3）当温度低于铁磁居里温度时，其ferT曲线不服从居里外斯定律。以尖晶石型铁氧体为例，晶体中两种次晶格（A位和B位）上的金属离子都具有磁矩。两种次
12、晶格单位体积磁矩分别为MA和MB，则材料的自发磁化强度为MSMAMB。由于MA和MB与温度的变化关系具有一定的独立性，所以使MS与T的关系表现为多种类型。目前实验已发现了三种情况。4）亚铁磁性物质中的典型材料铁氧体的电阻率很高，可达1010m。第四十六页，本课件共有50页47尖晶石铁氧体M2+Fe3+2O4尖晶石MgAl2O4的晶体结构尖晶石型晶格单胞A位四面体间隙，B位八面体间隙几种常见的铁氧体 第四十七页，本课件共有50页48石榴石铁氧体Y3Fe5O12三种阳离子的相对位置第四十八页，本课件共有50页49磁铅石铁氧体BaFe12O9晶体结构六面体间隙位置第四十九页，本课件共有50页感感谢谢大大家家观观看看第五十页，本课件共有50页