1.3泡利順磁性.ppt

1、第三節(jié) 泡利順磁性,本節(jié)主要內(nèi)容:,一、 泡利順磁性的起因,二、金屬泡利順磁性的物理機(jī)制示意圖,1.3 泡利順磁性,金屬導(dǎo)電電子的順磁性又稱為泡利順磁性。,電子具有自旋磁矩，它與電子的能態(tài)和軌道運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),其值為：,其中B為波爾磁子,常用來作為磁矩的單位,在磁場(chǎng)B的作用下(取B沿z方向),電子的自旋磁矩有兩個(gè)可能的取值：,自旋順磁性理論是泡利研究出來的，他證明了金屬中的導(dǎo)電電子的行為與費(fèi)米-狄拉克所支配的自由電子氣一樣。,在很多的金屬中，盡管有未飽和的電子自旋磁矩，但它們的順磁性不強(qiáng)并且與溫度沒有什么關(guān)系，其所以如此，完全是由于費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)的緣故。,以表示B=0時(shí)電子的能量，則當(dāng)B0時(shí)其能量

2、為：,一、 泡利順磁性的起因,由于泡利原理，處于磁場(chǎng)內(nèi)的電子氣由兩個(gè)支系組成,正負(fù)與電子的自旋磁矩是平行于B的方向還是反平行有關(guān),與B=0時(shí)的情況比較，它們的本征值密度沿能量標(biāo)尺有BB的位移,其自旋反平行于B的那些電子有如下的本征值密度：,其自旋平行于B的那些電子有：,在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，兩個(gè)支系的狀態(tài)分布由同一費(fèi)米函數(shù)支配,兩個(gè)支系中的狀態(tài)均占據(jù)到同一最大能量F時(shí),就達(dá)到熱力學(xué)平衡。,上面的分析表明，由于磁場(chǎng)的作用，使得電子具有正的附加能或負(fù)的附加能，從而使得按照泡利原理分布的電子分成兩個(gè)分支，出現(xiàn)非平衡暫態(tài)；但是，當(dāng)達(dá)到平衡態(tài)時(shí),電子將達(dá)到最大能量F,意味著高能態(tài)的電子(反平行B)將要轉(zhuǎn)向

3、低能態(tài)(平行B)，從而導(dǎo)致兩個(gè)支系中的電子數(shù)不同：具有平行于B的自旋磁矩的電子數(shù)目增大。,如此對(duì)全部電子氣來說要出現(xiàn)沿磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向的凈磁矩，因而，出現(xiàn)了泡利自旋順磁性。,下面我們給出上述過程的物理圖相,二、金屬泡利順磁性的物理機(jī)制示意圖,(a) B=0,(b) B0,未平衡,自旋取向與磁場(chǎng)相反的電子具有較高的能量，與磁場(chǎng)相同的電子具有較低的能量。從而高能態(tài)的電子要轉(zhuǎn)向低能態(tài)。,(c)高能態(tài)的電子轉(zhuǎn)向低能態(tài),導(dǎo)致兩種自旋取向的電子數(shù)目不等，出現(xiàn)凈磁矩，產(chǎn)生順磁效應(yīng)。,由于B=1T時(shí)， BB約為10-5eV,而費(fèi)米能級(jí)約為2-10eV.說明發(fā)生反轉(zhuǎn)的只能是能量較高的那部分電子，而且數(shù)目極少，位于費(fèi)米面附近。圖中為了好表示，故意夸大了BB的范圍。,所以，發(fā)生反轉(zhuǎn)的電子數(shù)約為：,每反轉(zhuǎn)一個(gè)電子，沿磁場(chǎng)方向磁矩的改變?yōu)?B,所以，反轉(zhuǎn)Z個(gè)電子后的沿磁場(chǎng)方向的總磁矩為：,磁化強(qiáng)度M為：,亦即沿磁場(chǎng)方向的凈磁矩為：,磁化率為,0真空磁導(dǎo)率,此即為泡利順磁磁化率,由泡利順磁磁化率 看出：,注：,1.泡利順磁磁化率與溫度無(wú)關(guān) (與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,而經(jīng)典統(tǒng)計(jì)則與溫度成反比) ;,2. 泡利順磁磁化率與費(fèi)米面的能態(tài)密度成正比，因而，也可以用來推斷g(F)。,實(shí)驗(yàn)測(cè)量泡利順磁磁化率遠(yuǎn)比測(cè)量比熱困難，因