铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁.doc

铁磁性　　 铁磁性 Ferrｏmagnｅｔｉｓｍ　　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，这个名称的由来是由于铁是具有铁磁性物质中最常用也是最典型的钐（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19提出了铁磁现象的唯象理论她假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，虽然无外磁场,也能使内部自发地磁化;自发磁化的社区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和实验表白，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩1９28年W.Ｋ.海森伯一方面用量子力学措施计算了铁磁体的自发磁化强度，予以外斯的“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觉得铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接互换作用　　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，但材料整体也许并不体现出强磁性,由于不同磁畴的磁性取向也许是随机排列的如果我们外加一种微小磁场,例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,材料仍会剩余某些磁场,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，会发目前外加磁场方向，材料的长度会发生微小的变化,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因素和规律，还是在本世纪初才开始结识的19法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其重要内容有：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;铁磁体自发磁化提成若干个社区域(这种自发磁化至饱和的社区域称为磁畴）,由于各个区域（磁畴）的磁化方向各不相似,其磁性彼此互相抵消，因此大块铁磁体对外不显示磁性　 外斯的假说获得了很大成功,实验证明了它的对的性，并在此基本上发展了现代的铁磁性理论在分子场假说的基本上,发展了自发磁化(spontaneｏus ｍａgnetiｚａtion)理论,解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基本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)只但是是把物质自身的磁性显示出来,而不是由外界向物质提供磁性的过程实验证明，铁磁质自发磁化的本源是原子(正离子）磁矩,并且在原子磁矩中起重要作用的是电子自旋磁矩与原子顺磁性同样，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4μB,钴有3μＢ，镍有2μB　　可是对另某些过渡族元素,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5μB,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,但不是充足条件故产生铁磁性不仅仅在于元素的原子磁矩与否高，并且还要考虑形成晶体时，原子之间互相键合的作用与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,原子互相接近形成分子时，电子云要互相重叠，电子要互相互换对于过渡族金属，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状态电子的再分派这种互换便产生一种互换能Eeｘ(与互换积分有关),此互换能有也许使相邻原子内ｄ层末抵消的自旋磁矩同向排列起来。

量子力学计算表白，当磁性物质内部相邻原子的电子互换积分为正时（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因素这种相邻原子的电子互换效应,其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列,作用的效果仿佛强磁场同样外斯分子场就是这样得名的理论计算证明,互换积分Ａ不仅与电子运动状态的波函数有关,并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与参与互换作用的电子距核的距离（电子壳层半径)r之比不小于3，互换积分才有也许为正铁、钴、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,变化其点阵常数,使得Rａb　/ｒ之比不小于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之比不小于3使互换积分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构造 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,减少了互换作用，同步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，钴，镍和钆，　 极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钬、铒和铥居里温度分别为:铁７６8℃,钴107０℃，镍３76℃，钆20℃反铁磁性 概念解析 在原子自旋(磁矩)受互换作用而呈既有序排列的序磁材料中,如果相邻原子自旋间因受负的互换作用,自旋为反平行排列,则磁矩虽处在有序状态(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有关，并在奈尔点有最大值　②用重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似，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　不管在什么温度下,都不能观测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处在同一方向，磁化率为正值。

温度很高时,极小；温度减少,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，使自旋反向的作用削弱,增长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似的磁化行为 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均有这种反铁磁性 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运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顺序运用中子绕射而测得之MnF２和NｉO二种反铁磁性物质之磁矩构造在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御,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 Temperatuｒｅ)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，本来取向杂乱的磁矩将定向，从而体现出顺磁性 顺磁性是一种弱磁性顺磁（性)物质的重要特点是原子或分子中具有无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)磁矩之间并无强的互相作用(一般为互换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处在无规(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，这些本来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同步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）,并且随温度的减少而增大　　常用的顺磁物质有氧气、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。

尚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构造，特别是电子组态构造；运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措施；在顺磁性和顺磁共振基本上发展起来的顺磁微波量子放大器,不仅是初期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器，并且也增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,这两种弱磁性的互相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措施；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,可以预料运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 　抗磁性是某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,并且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩这样表达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κ一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一(-１0-6)　 常用的抗磁物质:水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织抗磁物质的一种重要特点是磁化率不随温度变化 物质抗磁性的应用重要有：由物质的磁化率研究有关的物质构造是磁化学的一种重要研究内容；某些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同步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用在与外加磁场相反的方向时产生屏蔽，则称为抗磁性如物质中存在不配对电子时，则浮现顺磁性,并且可超过任何的抗磁性屏蔽与去屏蔽取决于核相对任一感生磁场的方向，故称为各向异性效应抗磁性各向异性是由π和δ电子云内的环流引起的。

　一般而言,分子中无不成对电子时,物质呈抗磁性。