B磁性物理基础-完整版本.ppt

B.磁性物理的基础 三、物质的各种磁性1最新课件物质磁性分类的原则 A.A.是否有固有原子磁矩？是否有固有原子磁矩？B.B.是否有相互作用？是否有相互作用？ C. C.是什么相互作用？是什么相互作用？ 1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有固有磁矩，间(直)接交换相互作用 5. 亜铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的 竞争2最新课件HM铁磁性顺磁性抗磁性物质在磁场下的行为磁化曲线可以作为物质磁性分类的方法物质磁性分类的方法：物质磁性分类的方法：抗磁性：抗磁性： 0 物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩耒源于未满的电子壳层，但由于热骚动处于混乱状态，在磁场作用下在磁场方向产生磁化强度，但磁化强度很小1010-5-5-10-10-2-2 -物质的磁化率铁磁性：铁磁性： 0 物质中原子有磁矩；原子磁矩之间有相互作 用原子磁矩方向平行排列，导致自发磁化外磁场作用下，快速趋向磁场方向，在磁场方向有很大的磁化强度。

3最新课件各种磁性的典型各种磁性的典型M-T , M-T , -T -T 关系关系T顺磁性0TM0混磁性零场冷却磁场冷却MTTc1/c亜铁磁性0c补偿点Tc居里点NT0反铁磁性N耐耳点MT1/Tc铁磁性P0Tc居里点P顺磁居里点0TTfH=0H0自旋玻璃Tf冻结温度4最新课件产生的机理：产生的机理： 外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的 在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性为抗磁性 它出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小， -10-5e iM一、抗磁性一、抗磁性5最新课件 每个原子内有z个电子，每个电子有自己的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道绕H进动，进动频率为, 称为拉莫尔进动频率由于轨道面绕磁场H进动，使电子运动速度有一个变化d使电子轨道磁矩增加d，但方向与磁场H相反，使总的电子轨道磁矩减小如果/2(电子旋转方向相反),则进动使电子运动速度减小，使在磁场H方向的磁矩减小，所得磁化率仍是负的总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小，表现出抗磁性。

1.1 半经典理论：6最新课件 假定电子轨道半径为r(m)的园，磁场H(Am-1)垂直于轨道平面，根据电磁感应定律，将产生电场E(Vm-1)因而 电子被电场加速，在时间间隔t内速度的变化由下式给出轨道绕磁场进动但不改变轨道形状，进动的角速度为运动产生的磁矩为7最新课件a 单位体积里含有N个原子，每个原子有Z个轨道电子时，磁化率为：a2是对所有轨道电子运动半径a2的平均 对闭合壳层的情况下，电子分布在半径为a(m)的球表面，r2=x2+y2，而z轴平行于磁场考虑到球对称， 因而8最新课件1.2 金属的抗磁性 许多金属具有抗磁性，而且一般其抗磁磁化率不随温度变化 金属抗磁性来源于导电电子根据经典理论，外加磁场不会改变电子系统的自由能及其分布函数，因此磁化率为零 经典的图象： 在外磁场作用下形成的环形电流在金属的边界上反射, 因而使金属体内的 抗磁性磁矩为表面“破折轨道”的反向磁矩抵消9最新课件 朗道指出朗道指出: 在量子力学理论内，这个结论是不正确的他首先证明，外磁场使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连外磁场使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的能级，而表现出抗磁性续的能级，而表现出抗磁性。

导电电子在外磁场作用下，运动轨道变为螺旋形状，在垂直于磁场的平面内，产生园周运动把园周运动分解成两个相互垂直的线偏振周期运动(设分别沿x轴和y轴的周期线性振动，动量p2=p2x+p2y)这样的线性振子所具有的分立能谱为 其中，nv为整数，H为回旋共振频率，可以求出 H=2BH，正是拉莫尔进动频率的两倍(|H|=2|L|).10最新课件由于电子沿z轴的运动不受磁场影响，所以总动能这种部分量子化，相当于把H=0的连续谱变成带宽为2BH的窄带(称为朗道能级)根据统计物理，能量为En的态的数目为gn个，因而系统相和为其中En为总能量，考虑动量空间计算gn可表示为 把z的求和改成在动量空间中的积分，通过计算，最后得到的相和为：l=0l=rl=r+1122m m0 0H H 0在外磁带在外磁带H H 作用下电子能带汇作用下电子能带汇聚成能级的情况聚成能级的情况11最新课件( Z为系统相和 )由于kT BH，展开上式，取二项，可得抗磁磁化率n为单位体积电子数由于热力学势所以可得到12最新课件 上式给出的抗与T有关，这与事实不符，原因是电子气不遵从玻耳兹曼统计，而是服从费密(Fermi)统计不是所有电子都参与抗磁性作用，只有费密面附近的电子对抗磁性有贡献，因而用n替换n，得到其中F为费密面能级EF决定的费密温度。

用n代替n后，得到 此时抗与温度无关，称为朗道抗磁性金属中的导电电子除具有抗磁性，同时不可分开的还具有顺磁性，而且顺磁磁化率比抗磁磁化率大三倍13最新课件 金属铜的磁化率由三部分组成：1)离子态，铜的4s电子成为导电电子，剩下的Cu+1离子，3d壳层是充满的，它有抗磁性；2)导电电子的抗磁性；3)导电电子的顺磁性由于后二项是不可分的，所以表现为顺磁性价电子) =顺+抗=+12.4x10-6 离子态的抗磁性大于导电电子(价电子)的顺磁性，因而金属铜显现抗磁性金属的抗磁磁化率和电子磁化率(单位：emu/mol)金属 D (原子态) D(离子态) (价电子) 实验值铜Cu -5.4x10-4 -18.0 x10-4 +12.4x10-6 -5.5x10-4银Ag -21.56x10-4 -31.0 x10-4 +4-9x10-6 -20 x10-4金Au -29.59x10-4 -45.8x10-4 +14x10-6 -28x10-414最新课件 1、超导材料：在超导态，磁通密度B总是0，即使存在外磁场H，也是如此(迈斯纳效应) 2、一些有机化合物，例如苯环中的p电子像轨道电子那样做园周运动，苯环相当于闭合壳层。

当磁场垂直于环作用时，呈现很强的抗磁性，磁场平行于环面时没有抗磁性 3、在生物体内的血红蛋白中，同氧的结合情况与铁的电子状态有关无氧结合的状态下，铁离子显示顺磁性；而在如动脉血那样与氧相结合的状态却显示抗磁性 例如血红蛋白中的Fe2+无氧配位(静脉血)是高自旋态，显现顺磁性；有氧配位(动脉血)是低自旋态，显現抗磁性1.3 几种特殊材料的抗磁性15最新课件如铁磁性物质在居里温度以上为顺磁性T ( K )1/T ( K )1/p二、顺磁性二、顺磁性 顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩耒源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的3d壳层)在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向原子磁矩是无规混乱取向当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率，其数量级为=10-510-2顺磁物质的磁化率随温度的变化(T)有两种类型:第一类遵从居里定律： =C/T C 称为居里常数 第二类遵从居里-外斯定律： =C/(T-p) p称为顺磁居里温度16最新课件2.1 郎之万顺磁性理论 假定顺磁系统包含N个磁性原子，每个原子具有的磁矩 M(Wbm)，当温度在绝对0度以上时，每个原子都在进行热振动，原子磁矩的方向也作同样振动。

在绝对温度T(K)，一个自由度具有的热能是kT/2，k是波尔兹曼常数，为1.38x10-23JK-1原子磁矩在外磁场作用下，静磁能U=MH 计算系统的磁化强度：从半径为一个单位的球心画单位矢量表示原子磁矩系统的角分布，没有磁场时磁矩方向均匀的分布在球面上(球面上的点是均匀分布)17最新课件 当施加磁场H后，这些端点轻微地朝H集中，一个与H成角的磁矩的势能为U因此，磁矩取这个方向的几率与玻尔兹曼因子成比例另一方面，一个原子磁矩与磁场夹角在和+d之间的概率，与图中阴影面积成正比，既2sind因此，一个原子磁矩与磁场夹角在和+d之间的实际概率为因为这样一个原子磁矩，在平行于磁场方向的磁化强度为Mcos，统计平均整个磁矩系统对磁化强度的贡献为18最新课件如果令MH/KT= 且cos=x，则有-sin=dx，代入上式分别计算分子和分母后，得到 这里称括号内的函数为郎之万函数郎之万函数，并用L()表示 对1郎之万函数可展开为如果只保留第一项得到：19最新课件 以上的计算是建立在假定原子磁矩可以取所有可能的方向从量子力学考虑空间量子化，原子磁矩只能取若干个分立的方向设磁场平行z轴，则M的z分量由 Mz=gMBJz 而Jz只能取2J+1个值(即2J+1个方向)。

Jz=J,J-1,.0,-(J-1),-J 因此在磁场H中的平均磁化强度为因此用代替2.2 布里渊函数布里渊函数20最新课件 括号中的函数称为布里渊函数布里渊函数，用BJ()表示BJ( )的函数形式与朗之万函数形式类似，且在J的极限情况下，完全一致对1, BJ( )可展开为考虑到 =JMBH/kT，取上式第一项Meff是有效磁矩Ms=gJMBMs称为饱和磁矩21最新课件C mol-Fe=1.268(emu/mol)nFe=3.18522最新课件Ps是从饱和磁矩Ms推出gJ；Pc是从有效磁矩Meff推出的gJ值强铁磁性(Pc/Ps=1)弱铁磁性在铁磁性金属与合金中，比率Pc/Ps与居里点的函数关系(引自Rhodes和Wohlfarth)23最新课件图2.3.1导电电子状态密度和能量的函数关系H=0N+(E)N-(E)Ef0BHBH2BH+-+-H0(a)(b)(c)(a)H=0,T0时, N+=N-; (b) H0后，能量的差别2BH; ( c)H=0,平衡后，N+N- 2.3 金属的顺磁性 金属中导电电子的顺磁性比抗磁性强三倍，并与温度基本无关，并且只能用量子力学来解释泡利首先发现这一结果，因此称为泡利顺泡利顺磁性。

磁性 量子理论指出：金属中的导电电子可作为自由电子来处理，应服从费密统计导电电子的态密度和能量的关系如图2.3.1所示 24最新课件 金属的特征是自由电子在晶格中运动或巡游自由电子的最朴素的模型是把它看做无规运动的粒子，像理想气体中的分子一样这样的模型解释欧姆定律是成功的，但解释金属中的顺磁性就不适用了只能用量子理论来解释在波动力学中，以动量p运动的一个粒子被一个波长为的平面波代替这里h是普朗克常数其波函数表示为这里r是位置矢量，k是波数矢量，这个粒子的动能为 假定一个电子在边长为L的一个立方盒中运动波函数形成驻波的条件为自由电子的能级L/2n=1n=225最新课件 这里n是一个矢量，其分量为( nx,ny,nz ), nx,ny和nz是整数，如0，1, 2, 3,.于是自由电子的k矢量就被量子化了由于泡利不相容原理，每个稳定状态可被具有+1/2和-1/2自旋的两个电子占据能量表示为 单位体积中有N个电子时，电子从n=0开始依次占据各态直到能量为有限的某个不等于零的最大值n这样，在金属中即使在绝对零度下也有动能不为零的电子在运动占据最高能态的能量称为费米能级占据最高能态的能量称为费米能级。

令令电子的总数NL3等于能量比Ef低的状态数的两倍因为状态可等同于n空间中具有正的n值的格子位置，则由上式估计Ef值是20000-50000K,远大于室温下的热能kTnf 相应于费米能级的n值得到费米能级为EF10-11尔格H10-16尔格,(H104Oe)26最新课件 Ef称为费密能级，其数值为104-105K(EF10-11。