物質(zhì)的磁性(I)——抗磁性、順磁性和鐵磁性.ppt

1、第一章：物質(zhì)的磁性（I） 抗磁性、順磁性和鐵磁性,報(bào)告人：門聰杰,第一節(jié)：引言,磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。從微觀粒子到宏觀物體，乃至宇宙天體，都具有某種程度的磁性。,磁性形式（宏觀物體）,弱磁性質(zhì)：抗磁性、順磁性、反鐵磁性,強(qiáng)磁性質(zhì)：鐵磁性、亞鐵磁性,具有不同的形成機(jī)理,物質(zhì)的磁性在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。磁性材料已成為功能材料的一個重要分支。故研究物質(zhì)的磁性及其形成原理、探討提高磁性材料的用途和開拓磁性材料新應(yīng)用領(lǐng)域成為當(dāng)代磁學(xué)的主要研究方法和內(nèi)容。,磁性現(xiàn)象的認(rèn)知過程,最早在春秋時代的管子、戰(zhàn)國時代的呂氏春秋中有關(guān)“慈石”的記載、公元前4世紀(jì)有關(guān)天然磁鐵礦

2、（Fe2O3）的記載。公元前3世紀(jì)我國發(fā)明了指南針。公元前6世紀(jì)希臘人臺利斯有關(guān)磁性的著作。 從丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流效應(yīng)開始逐步深入理解磁性現(xiàn)象。法國物理學(xué)家安培提出“分子電流”是物質(zhì)磁性起源的假說、1831年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。,原子具有磁矩的結(jié)論是量子力學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來的。1928年，海森堡提出了鐵磁體的自發(fā)磁化來自量子力學(xué)中交換作用的理論模型。為建立鐵磁性理論奠定了基礎(chǔ)。隨之低溫自旋波理論、鐵磁變相理論、鐵磁共振理論相繼建立起來。20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在金屬氧化物中存在反鐵磁性。1934年可拉默斯為解釋這類物質(zhì)中的反鐵磁性提出了超交換作用的理論模型。后來，安德

3、森進(jìn)一步發(fā)展了這一理論模型，并成功地說明了金屬氧化物中存在的反鐵磁性。而后，魯?shù)侣突貭枴⒃愎群头继锏热嗽诮粨Q作用理論模型做了很多重要貢獻(xiàn)。,海森堡理論模型屬于局域電子模型，即認(rèn)為對磁性有貢獻(xiàn)的電子定域于原子之中。與此同時，布洛赫又提出了一個描寫集體電子模式的能帶模型（巡游電子模型），該模型經(jīng)莫特、斯東納、斯萊特等人的發(fā)展形成了與局域電子模型相對立的另一學(xué)派。但是這兩模型在解釋過渡金屬（Fe、Co、Ni）鐵磁性方面都只能解釋一部分實(shí)驗(yàn)事實(shí)。,后來證明，巡游電子模型更加接近過渡金屬磁電子的真實(shí)狀態(tài)。近20多年來，守谷等人建立了自旋漲落的自洽重整化理論并用這一理論對弱鐵磁性金屬（ZrZn2，Sc

4、3In）進(jìn)行了計(jì)算，導(dǎo)出了居里-外斯定律。在這基礎(chǔ)上，守谷進(jìn)一步提出弱鐵磁性金屬中的居里-外斯定律源于自旋漲落的新物理思想。在這一思想的指導(dǎo)下，守谷提出了用自旋漲落來統(tǒng)一局域電子模型和巡游電子模型的模型。,磁性材料的研究和制備始于20世紀(jì)初。100多年來所取得的具有代表性的成果：1900年研制出硅鋼（Si-Fe合金）；1920年研制出坡莫合金（Fe-Ni合金）；1932年研制出鋁鎳鈷永磁合金；1935年研制出尖晶石軟磁鐵氧化體；1952年研制出磁鉛石型永磁鐵氧體；1953年研制出應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的矩磁鐵氧體；1956年研制出用于微波技術(shù)的石榴石型稀土鐵氧體；1966年研制出SmCo5永磁合金；19

5、77年研制出Sm2Co17永磁合金；1983年研制出Nd2Fe14B永磁化合物。 非晶態(tài)磁性、薄膜磁性、納米材料磁性,建立經(jīng)典模型，以周期T沿橢圓軌道運(yùn)動的電子相當(dāng)一個圓電流，電流強(qiáng)度 其產(chǎn)生的磁矩為 其中 為軌道面積。 電子運(yùn)動的軌道角動量為,第二節(jié)：原子的磁性,宏觀物質(zhì)的磁性主要由電子的磁矩所決定的。宏觀物質(zhì)中的電子按其運(yùn)動狀態(tài)分為軌道電子和傳導(dǎo)電子。,一、電子的軌道磁矩,電子的軌道磁矩是由于電子環(huán)繞原子核做軌道運(yùn)動而產(chǎn)生的。,于是有,按量子力學(xué)理論，軌道電子的運(yùn)動狀態(tài)應(yīng)以波函數(shù) 表示其中 該狀態(tài)在r出的分布概率。根據(jù)量子力學(xué)的解釋，空間量子數(shù)的物理意義如下： 1）n=1,2,3.為主量子

6、數(shù)，由它決定電子的能量。對于氫原子，電子的能量為 。 2）l=0,1,2.,n-1,為軌道角動量量子數(shù)。它決定軌道角動量的絕對值： 3） 為磁量子數(shù)。它決定電子的軌道角動量Pl在空間任意指定方向（如外磁場H的方向）的投影值 電子軌道磁矩的絕對值 電子軌道磁矩在空間任意指定方向的投影為 其中 為玻爾磁子，是物 質(zhì)磁矩的最小單元。,二、電子的自旋磁矩（本證磁矩）,電子的自旋是在研究原子的線狀光譜時被提出來的，并發(fā)現(xiàn)了光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。為了解釋這種譜線結(jié)構(gòu)，有個重要的假設(shè)：電子具有自旋角動量（本證角動量）和自旋磁矩（本證磁矩）。 自旋角動量 在任意方向的外磁場中的投影值 與之相應(yīng)的電子自旋磁矩在外磁

7、場方向的投影為 注意的是，,根據(jù)量子力學(xué)角動量的一般規(guī)律和以上的假設(shè)，可以證明，假如電子自旋的分量 ，,三、原子的磁性,核外電子在構(gòu)造原子殼層時遵守兩個定理：,L-S耦合和j-j耦合,原子序數(shù)不太大的原子（3d族、4f族元素）的基態(tài)或低激發(fā)態(tài)，均屬于L-S耦合；純j-j耦合只發(fā)生在較重元素的激發(fā)態(tài)中。,舉例說明L-S耦合的計(jì)算方法： 設(shè)兩個電子的軌道角動量量子數(shù)分別為l1和l2，則其總軌道角動量L的量子數(shù)可取值為 對于確定的L值為，總軌道角動量L、總軌道磁矩 的絕對值分別為,同樣，設(shè)兩個電子的自旋量子數(shù)分別為s1和s2，則總自旋量子數(shù)S的可能取值為,其中， 為朗德因數(shù)或 光譜分裂因數(shù),四、洪德

8、定則,該定則是洪德基于對原子光譜的分析而總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)法則。它給出了含有未滿電子殼層的原子或離子的基態(tài)量子數(shù)，其內(nèi)容包括以下三條：,按洪德定則計(jì)算的稀土離子的磁矩與實(shí)驗(yàn)值符合的較好；而按同樣方法計(jì)算鐵族離子的磁矩則與實(shí)驗(yàn)值差別較大。,推論：在基態(tài)下，滿殼層電子的總角動量和總磁矩都為零。,原子的磁性的最直接的實(shí)驗(yàn)證明是塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)是原子光譜線在磁場中的分裂。在弱磁場H中，每個能級En分裂為2J+1個能級，能級間隔為 。多重能級間的躍遷遵循“選擇定則”： 以上是反常塞曼效應(yīng)。在強(qiáng)磁場中，則為正常塞曼效應(yīng)，這時矢量 和 間的耦合被拆散，能級分裂間隔為,第三節(jié)、原子核的磁性,質(zhì)子帶有一個電子電量

9、的正電荷，自旋角動量量子數(shù)為1/2。按量子力學(xué)理論，質(zhì)子應(yīng)具有自旋磁矩，其方向與角動量相同，其絕對值為 在外磁場方向的投影為 由于質(zhì)子的質(zhì)量M是電子質(zhì)量的1836.5倍，那么質(zhì)子的磁矩為,按原子核理論，核子之間存在著兩種不同類型的相互作用。一種是質(zhì)子之間的電磁相互作用（場的形式、交換光子的形式）；另一種是核子之間的非電磁本性的核力作用（交換帶電荷的 介子）。,1947年在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了 介子，質(zhì)量為 ，1950年又發(fā)現(xiàn)了 介子。按核力的介子論，核子由于不斷發(fā)射和吸收介子在其周圍建立起一種特殊性質(zhì)的介質(zhì)場。通過介質(zhì)場，質(zhì)子和中子進(jìn)行的轉(zhuǎn)化：,第四節(jié)、宏觀物質(zhì)的磁性,宏觀物質(zhì)的性主要來自它內(nèi)部電子的磁性。根據(jù)磁體存在兩個磁極，有人提出了宏觀物質(zhì)的磁性來源于元磁偶極子的假說。所謂元磁偶極子是指強(qiáng)度相等、極性相反并其距離無限接近的一對“磁荷”。以+m表示正磁荷的強(qiáng)度，以l表示兩個磁荷間的長度矢量，則該元磁偶極子可用磁偶極矩矢量j來表示,安培提出了磁偶極子與電流回路元在磁性上