铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁.docx

铁磁性铁磁性Ferromag netism过渡族金属(如铁)及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称 的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的 钐(Samarium)，钕(neodymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理 论他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化； 自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和实验表明，磁畴磁矩起 因于电子的自旋磁矩1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发 磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释1930年F.布洛赫提出了自旋波理 论海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作 用铁磁性材料存在长程序，即 磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列 因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴 的磁性取向可能是随机排列的如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使 本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被 磁化［1材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。

当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料 "记忆"了它们被磁化的历史这种现象叫作 剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个 临界温度叫居里温度(Curie temperature)如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料 的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化： 铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开 始认识的 1907 年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁 物质内部存在很强的 “分子场 ”，在“分子场 ”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列， 即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域 （这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴 ），由于各个区域 （磁畴 ）的磁化方向各不相同，其磁性彼此 相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代 的铁磁性理论在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（ spontaneous magnetiza tion ）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释 了铁磁体在磁场中的行为。

铁磁性材料的磁性是自发产生的所谓磁化过程 （又称感磁或充磁 ）只不过是把物 质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程实验证明，铁磁质自 发磁化的根源是原子 （正离子 ）磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩 与原子顺磁性一样， 在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的 必要条件例如铁的 3d 状态有四个空位，钴的 3d 状态有三个空位，镍的 3d 态有二 个空位如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将会得到较大磁矩，理论上铁 有4pB，钻有3pB，镍有2pB可是对另一些过渡族元素，如锰在 3d 态上有五个空位，若同向排列，则它们自 旋磁矩的应是5pB，但它并不是铁磁性元素因此，在原子中存在没有被电子填满的 状态（d或f态）是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件故产生铁磁性不仅仅在 于元素的原子磁矩是否高，而且还要考虑形成晶体时，原子之间相互键合的作用是否 对形成铁磁性有利这是形成铁磁性的第二个条件根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互 交换对于过渡族金属，原子的 3d 的状态与 s 态能量相差不大，因此它们的电子云 也将重叠，引起s、d状态电子的再分配。

这种交换便产生一种交换能 Eex（与交换积分有关），此交换能有可能使相邻原子内d层末抵消的自旋磁矩同向排列起来量子 力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时 （A > 0）,相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化这就是铁磁性产生的原因这种相邻原子的 电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁 场一样外斯分子场就是这样得名的理论计算证明，交换积分 A不仅与电子运动状态的波函数有关，而且强烈地依赖子原子核之间的距离 Rab （点阵常数），如图 5-13 所示由图可见，只有当原子核之间的距离 Rab 与参加交换作用的电子距核的距离 （电 子壳层半径 ）r 之比大于 3，交换积分才有可能为正铁、钻、镍以及某些稀土元素满 足自发磁化的条件铬、锰的A是负值，不是铁磁性金属，但通过合金化作用，改变 其点阵常数，使得 Rab /r 之比大于 3，便可得到铁磁性合金综上所述，铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的电子壳层；②及 Rab / r之比大于3使交换积分A为正前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要 有一定的晶体结构根据自发磁化的过程和理论，可以解释许多铁磁特性。

例如温度对铁磁性的影响 当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规 则取向，故自发磁化强度Ms下降直到温度高于居里点，以致完全破坏了原子磁矩 的规则取向，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性同样，可以解释磁晶 各向异性、磁致伸缩等具有铁磁性的元素：到目前为止，仅有四种金属元素在室温以上是铁磁性的，即铁，钻，镍和轧，极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钦、铒和铥居里温度分别为：铁768 °C，钻1070 °C，镍376 °C ,轧20 °C反铁磁性概念解析 在原子自旋（磁矩）受 交换作用而呈现有序排列的序磁材料中，如果相邻 原子自旋间因受负的交换作用，自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态（称为序磁 性），但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零这种磁有序状态称为反铁磁性 注：①这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列， 即材料显示出小的正磁化率但该磁化率与温度相关，并在奈尔点有最大值 ②用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料 反铁磁性是指由于 电子自旋［1反向平行排列在同一子晶格中有自发 磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩 反向排列。

两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体 反铁磁性物质大都是非金属化合物，如 MnO不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物 质的任何自发磁化现象，因此其 宏观特性是顺磁性的,M与H处于同一方向，磁化 率为正值温度很高时，极小；温度降低，逐渐增大在一定温度时， 达最大值称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点对尼尔点存在的解释是：在极低温度下，由于 相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率 几乎接近于0当温度 上升时，使自旋反向的作用减弱，增加当温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较 大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为 反铁磁性物质置於磁场中，其邻近 原子之磁矩相等而排列方向刚好相反，因此其磁化率为零 许多过渡元素之化合物 都有这种反铁磁性 物质之磁矩是由其内每一原子内之电子之自旋，及轨道运动所 产生之磁矩和及原子间之交互作用之和 利用物质之磁矩对中子磁矩作用产生之绕射 现象，可以测定物质内原子磁矩之分布方向和次序利用中子绕射而测得之 MnF2 和 NiO 二种反铁磁性物质之磁矩结构 在 MnF2 反铁磁性物质中， Mn 离子其 3d 轨道未 饱和之电子受到磁场磁化之磁矩依面心立方晶格〔 Fcc 〕而分布，因在每一角落上离 子之磁矩都是同一方向。

而在其立方面上之离子磁矩都在同一相反方向其向量和等 于零，因而此种物质之磁化率， X 等于零 物质在磁场中之取向效应受到热激动的 抵抗，因而其磁化率随温度而变当温度等于某一温度－尼尔温度( Neel Temperat ure )时，反铁磁物质的磁化率会稍微上升，当温度超过尼尔温度 TN 时，则反铁磁 性物质之磁性近于顺磁性顺磁性paramagnetism顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1〜3个数量级，X约10-5〜10-3，遵 守 Curie 定律或 Curie-Weiss 定律物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时， 存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在 自旋磁矩和轨道磁矩在外磁场作用 下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性顺磁性是一种弱磁性顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵 消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互 作用(一般为交换作用 )，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规 (混乱)排列状态， 原子磁矩互相抵消而无合磁矩但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混 乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混 乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。

这样便使磁化率 (磁化强度与磁场强度之比 )成为正值，但数值也是很小 ,一般顺磁物质的磁化率约为十万分 之一(10-5)，并且随温度的降低而增大常见的顺磁物质有氧气、金属铂(白金)、一氧化氮、含掺杂原子的半导体｛如掺磷 (P)或砷(As)的硅(Si)｝、由幅照产生位错和缺陷的物质等还有含导电电子的金属如 锂 (Li)、钠(Na)等，这些顺磁(性)金属的顺磁磁化率却与温度无关，这种金属的特殊顺磁 性是可以用量子力学解释的顺磁性虽是一种弱磁性，但也有其重要的应用，例如， 从顺磁物质的顺磁性和 顺磁共振可以研究其结构，特别是电子组态结构：利用顺磁物 质的绝热退磁效应可以获得约1-10-3K的超低温度，这是一种产生超低温度的重要方 法；在顺磁性和顺磁共振基础上发展起来的顺磁微波量子放大器，不但是早期研制和 应用的一种超低噪声的微波放大器，而且也促进了 激光器的研究和发明，在 生命科学 方面，如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性，但在同氧结合后便转变为 抗 磁性，这两种弱磁性的相互转变就反映了生物体内的氧化和还原过程，因而其磁性研 究成为这种重要生命现象的一种研究方法； 如果目前医学上有着重要应用的 核磁共振 成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以预料利用这一技术便可显示生物体内顺 磁物质（如血红蛋白和自由基等）的分布和变化，这会在生命科学和医学上得到重要的 应用。

简而言之：电子自旋产生磁场，分子中有不成对电子时，各单电子平行自旋，磁 场加强这时物质呈顺磁性抗磁性diamagnetism抗磁性是一些物质的原子中电子 磁矩互相抵消，合磁矩为零但是当受到外加 磁 场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁 矩这样表示物质磁性的 磁化率便成为很小的负数（量）磁化率是物质在外加磁场作 用下的合磁矩（称为磁化强度）与磁场强度之比值,符号为K一般抗磁（性）物质的磁化 率约为负百万分之一 （-10-6） 常见的抗磁物质：水、金属铜、碳（C）和大多数有机物和生物组织抗磁物质的 一个重要特点是磁化率不随温度变化物质抗磁性的应用主要有：由物质的磁化率研究相关的物质结构是磁化学的一个 重要研究内容；一些物质如 半导体中的载（电）流子在一定的恒定（直流）磁场和高频磁 场同时作用下会发生抗磁共振（常称回旋共振），由此可测定半导体中 载流子（电子和空 穴）的符号和有效质量；由生物抗磁（性）组织的磁化率异常变化可推测该组织的病变 （如癌变）核磁共振谱中的抗磁性它是由于原子核外电子环流的作用使物质具有的磁特 性当所产生的磁性作。