磁性材料與器件-第二章-物質(zhì)的磁性

1、Page 1物質(zhì)磁性的普遍性物質(zhì)磁性的普遍性無處不在無處不在（1 1）物質(zhì)的各種形態(tài)，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等）物質(zhì)的各種形態(tài)，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超高密度態(tài)和反物質(zhì)態(tài)都會具有磁性；離子態(tài)、超高密度態(tài)和反物質(zhì)態(tài)都會具有磁性；（2 2）物質(zhì)的各個層次，無論是原子、原子核、基本粒）物質(zhì)的各個層次，無論是原子、原子核、基本粒子等都會具有磁性。子等都會具有磁性。（3 3）無限廣袤的宇宙，無論是各個天體，還是星際空）無限廣袤的宇宙，無論是各個天體，還是星際空間都存在著或強或弱的磁場。例如：地球磁場強度約為間都存在著或強或弱的磁場。例如：地球磁場強度約為240A/m240A/m，太陽的普遍

2、磁場強度約為，太陽的普遍磁場強度約為80A/m.80A/m.磁性是物質(zhì)的一種重要的屬性。從微觀粒子到宏觀物體，磁性是物質(zhì)的一種重要的屬性。從微觀粒子到宏觀物體，到宇宙天體，無不具有某種程度的磁性。到宇宙天體，無不具有某種程度的磁性。Page 2根據(jù)磁化率的大小、方向不同，把物質(zhì)磁性根據(jù)磁化率的大小、方向不同，把物質(zhì)磁性分為五類分為五類 (1)(1)抗磁性抗磁性 (2) (2)順磁性順磁性 (3) (3)反鐵磁性反鐵磁性 (4) (4)鐵磁性鐵磁性 (5) (5)亞鐵磁性亞鐵磁性強磁性強磁性弱磁性弱磁性Page 3五類磁體的磁化曲線示意圖五類磁體的磁化曲線示意圖Page 4強磁材料的應(yīng)用分類強磁

3、材料的應(yīng)用分類軟磁材料軟磁材料永磁（硬磁）材料永磁（硬磁）材料磁記錄材料磁記錄材料旋磁材料旋磁材料特殊磁性材料特殊磁性材料強磁材料按組成與結(jié)構(gòu)的分類強磁材料按組成與結(jié)構(gòu)的分類單質(zhì)單質(zhì)合金合金非金屬化合物非金屬化合物非晶鐵磁合金非晶鐵磁合金Page 5第二章第二章物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性Page 6物質(zhì)磁性的來源物質(zhì)磁性的來源抗磁性抗磁性順磁性順磁性鐵磁性鐵磁性第二章第二章 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性反鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性亞鐵磁性Page 7電與磁的關(guān)系電與磁的關(guān)系通電線圈有磁通電線圈有磁場產(chǎn)生場產(chǎn)生SN直流導(dǎo)線周圍直流導(dǎo)線周圍有磁場有磁場閃電可令指南針閃電可令指南針偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)Page 8電與磁的關(guān)系電與

4、磁的關(guān)系磁感應(yīng)現(xiàn)象磁感應(yīng)現(xiàn)象Page 9電與磁的關(guān)系電與磁的關(guān)系電和磁是不可分割的，它們始終交織在電和磁是不可分割的，它們始終交織在一起。簡單地說，就是電生磁、磁生一起。簡單地說，就是電生磁、磁生電。電。 那么一些在宏觀上顯磁性的物質(zhì)是否那么一些在宏觀上顯磁性的物質(zhì)是否存在著電流呢存在著電流呢? ? Page 10第一節(jié)第一節(jié)物質(zhì)磁性的起源物質(zhì)磁性的起源Page 112.1.1原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)Page 122.1.1原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)Page 132.1.2原子核外電子的排布規(guī)律原子核外電子的排布規(guī)律由內(nèi)到外，能量逐漸升高由內(nèi)到外，能量逐漸升高1234567KLMNOPQ281832502n2A

5、.A.電子按能量高低在核外分層排布電子按能量高低在核外分層排布B.B.電子總是盡先排布在能量最低的電子層里。電子總是盡先排布在能量最低的電子層里。C.C.每個電子層最多只能排布每個電子層最多只能排布2n2n2 2個電子。個電子。D.KD.K層為最外層時，最多只能容納層為最外層時，最多只能容納2 2個電子。個電子。E.E.其它各層為最外層時，最多只能容納其它各層為最外層時，最多只能容納8 8個電子。個電子。F.F.次外層最多不超過次外層最多不超過1818個電子。個電子。Page 142.1.2原子核外電子的排布規(guī)律原子核外電子的排布規(guī)律電子繞核運動電子繞核運動電子自旋電子自旋Page 152.1

6、.2原子核外電子的排布規(guī)律原子核外電子的排布規(guī)律 核外電子排布必需遵守的兩個原理核外電子排布必需遵守的兩個原理 A.A.泡利不相容原理泡利不相容原理: : 同一系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的費米同一系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的費米子具有完全相同的量子態(tài)子具有完全相同的量子態(tài) 就是說在原子中不能有兩個電子處于同一狀就是說在原子中不能有兩個電子處于同一狀態(tài)上態(tài)上, ,原子中的電子都處于不同的狀態(tài)原子中的電子都處于不同的狀態(tài). . B.B.能量最小原理能量最小原理: : 電子在原子軌道上分布，要盡可能使整個原電子在原子軌道上分布，要盡可能使整個原子系統(tǒng)能量最低。子系統(tǒng)能量最低。 因為原子能量最低時

7、它最穩(wěn)定因為原子能量最低時它最穩(wěn)定, ,所以電子在所以電子在填充進原子時總是先填充能量低的填充進原子時總是先填充能量低的, ,再填充能量再填充能量高高, ,不能所有電子都填在能量低級上不能所有電子都填在能量低級上. .Page 162.1.3核外電子狀態(tài)核外電子狀態(tài)核外電子的運動狀態(tài)用四個量子數(shù)核外電子的運動狀態(tài)用四個量子數(shù)( (n , l , mn , l , m , m, ms s) )描寫描寫n nl l m m m ms s 電子自旋態(tài)電子自旋態(tài)能級分裂能級分裂軌道角動量軌道角動量軌道能級軌道能級主量子數(shù)主量子數(shù)角量子數(shù)角量子數(shù)磁量子數(shù)磁量子數(shù)電子自旋量子數(shù)電子自旋量子數(shù)四個量子數(shù)都相

8、同的電子不多于一個四個量子數(shù)都相同的電子不多于一個Page 172.1.3核外電子狀態(tài)核外電子狀態(tài)n , l , mn , l , m都相同都相同的電子，的電子， 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)m ms s必定不同，且必定不同，且只有兩種取值。只有兩種取值。21 smn , l n , l 都相同都相同的電子，的電子， 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m m最多可?。ㄗ疃嗫扇。? 2l+1+1）種數(shù)）種數(shù)值。值。lm , 2, 1, 0Page 182.1.3核外電子狀態(tài)核外電子狀態(tài)對于主量子數(shù)對于主量子數(shù)n n 相同的電子，相同的電子，角量子數(shù)角量子數(shù)l最多有最多有n n種取值。種取值。電子的能量電子的能量E En,

9、ln,l主要由主要由 n n 決定，一般情況下決定，一般情況下n n 較高較高的狀態(tài)，能量也較高的狀態(tài)，能量也較高l=0,1,(n-1)=0,1,(n-1)Page 192.1.3核外電子狀態(tài)核外電子狀態(tài)每一殼層可容納多少電子？每一殼層可容納多少電子？n n相同的電子最多能有幾個？相同的電子最多能有幾個？10nl) 12(l222nPage 202.1.4多電子原子的核外電子狀態(tài)多電子原子的核外電子狀態(tài)總磁矩為總磁矩為: :sl SmeLme 2原子處在磁場中原子處在磁場中, ,磁場對原子的相互作用能為磁場對原子的相互作用能為: :BE Bszlz)( zzSmeBLmeB 2slmmBemm

10、Be 2未分裂時的能級未分裂時的能級E Enlnl稱為稱為簡并能級簡并能級當(dāng)外加磁場時，電子角動量的空間取向不同，其由于磁場的存在當(dāng)外加磁場時，電子角動量的空間取向不同，其由于磁場的存在而附加的能量不同造成電子能級而附加的能量不同造成電子能級E Enlnl的分裂的分裂塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)Page 21n123主殼層KLMl001012次殼層sspspdM00-1010-101-2-1012MS狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)2262610818n4主殼層Nl0123次殼層spdfM0-101-2-1012-3-2-10123MS狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)261014322.1.4多電子原子的核外電子狀態(tài)多電子原子的核外

11、電子狀態(tài)Page 22 為什么宇宙萬物都具有磁性？為什么宇宙萬物都具有磁性？ 物質(zhì)磁性的起源是什么？物質(zhì)磁性的起源是什么？ 物質(zhì)的磁性來源于原子磁矩物質(zhì)的磁性來源于原子磁矩電子磁矩電子磁矩電子軌道磁矩。電子軌道磁矩。電子自旋磁矩。電子自旋磁矩。原子核磁矩：電子磁矩的原子核磁矩：電子磁矩的1/1836.51/1836.5原子磁矩原子磁矩Page 23上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要電和磁是不可分割的，它們始終交織在電和磁是不可分割的，它們始終交織在一起。簡單地說，就是電生磁、磁生一起。簡單地說，就是電生磁、磁生電。電。 那么一些在宏觀那么一些在宏觀上顯磁性的物質(zhì)上顯磁性的物質(zhì)是否存在著電流是否存在著電流

12、呢呢? ? Page 24上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要1234567KLMNOPQ281832502n2電子繞核運動電子繞核運動電子自旋電子自旋Page 25上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要 核外電子排布必需遵守的兩個原理核外電子排布必需遵守的兩個原理 A.A.泡利不相容原理泡利不相容原理: : 同一系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的費米同一系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的費米子具有完全相同的量子態(tài)子具有完全相同的量子態(tài) 就是說在原子中不能有兩個電子處于同一狀就是說在原子中不能有兩個電子處于同一狀態(tài)上態(tài)上, ,原子中的電子都處于不同的狀態(tài)原子中的電子都處于不同的狀態(tài). . B.B.能量最小原理能量最小原理: :

13、 電子在原子軌道上分布，要盡可能使整個原電子在原子軌道上分布，要盡可能使整個原子系統(tǒng)能量最低。子系統(tǒng)能量最低。 因為原子能量最低時它最穩(wěn)定因為原子能量最低時它最穩(wěn)定, ,所以電子在所以電子在填充進原子時總是先填充能量低的填充進原子時總是先填充能量低的, ,再填充能量再填充能量高高, ,不能所有電子都填在能量低級上不能所有電子都填在能量低級上. .Page 26上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要核外電子的運動狀態(tài)用四個量子數(shù)核外電子的運動狀態(tài)用四個量子數(shù)( (n , l , mn , l , m , m, ms s) )描寫描寫n nl l m m m ms s 電子自旋態(tài)電子自旋態(tài)能級分裂能級分裂軌道角

14、動量軌道角動量軌道能級軌道能級主量子數(shù)主量子數(shù)角量子數(shù)角量子數(shù)磁量子數(shù)磁量子數(shù)電子自旋量子數(shù)電子自旋量子數(shù)四個量子數(shù)都相同的電子不多于一個四個量子數(shù)都相同的電子不多于一個Page 27上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要n123主殼層KLMl001012次殼層sspspdM00-1010-101-2-1012MS狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)2262610818n4主殼層Nl0123次殼層spdfM0-101-2-1012-3-2-10123MS狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)26101432Page 28電子磁矩電子磁矩電子軌道磁矩。電子軌道磁矩。電子自旋磁矩。電子自旋磁矩。原子核磁矩：電子磁矩的原子核磁矩：電子磁矩的1/183

15、6.51/1836.5原子磁矩原子磁矩上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要物質(zhì)磁性的來源物質(zhì)磁性的來源Page 292.1.5 電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子圍繞原子核的軌道運動，產(chǎn)生一個非常小的磁電子圍繞原子核的軌道運動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌道磁矩。場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，即軌道磁矩。Page 302.1.5 電子軌道磁矩電子軌道磁矩n 經(jīng)典波爾模型經(jīng)典波爾模型2,2evieSrTr 0020222eeeeviSnrvrnLnremmem L 旋磁比旋磁比, Page 312.1.5 電子軌道磁矩電子軌道磁矩L ,0;(1,1),Lll l(1)2(1)elBel

16、 lml l 2eem玻爾磁子玻爾磁子,0, 1, 2,lzlmLlm ,22l zlzBleeeeLmmmm 224-BmA 10 x 9.274 mehn 量子力學(xué)量子力學(xué)Page 32n 角動量大小量子化角動量大小量子化n 角動量取向量子化角動量取向量子化 n 磁矩大小量子化磁矩大小量子化n 磁矩外場取向量子化磁矩外場取向量子化,0;(1,1),Lll l,0, 1, 2,lzlmLlm (1)lBl l, l zlBm2.1.5 電子軌道磁矩電子軌道磁矩Page 332.1.5 電子軌道磁矩電子軌道磁矩n 角動量矢量模型角動量矢量模型: :形象表示形象表示角動量取向量子化角動量取向量子

17、化l一定2l+1個mlPage 342.1.6 電子自旋磁矩電子自旋磁矩電子自旋假設(shè)電子自旋假設(shè)(1)(1)：(1) (1) 電子不是一個質(zhì)點，它存在一種內(nèi)秉的運動電子不是一個質(zhì)點，它存在一種內(nèi)秉的運動 自旋自旋，相應(yīng)地有相應(yīng)地有自旋角動量自旋角動量和和自旋磁矩。自旋磁矩。(2) (2) 電子電子自旋角動量自旋角動量 S S 的大小類似于的大小類似于 “ “軌道軌道”角動量角動量, , 為為(1)SSs ss=s=1/2 1/2 稱為稱為自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) Page 352.1.6 電子自旋磁矩電子自旋磁矩n 電子自旋假設(shè)電子自旋假設(shè)(2)(2)(3) (3) 電子自旋角動量在空間相對外磁場

18、方向電子自旋角動量在空間相對外磁場方向 ( (z z軸軸) ) 的的取向取向( (類似于類似于“軌道軌道”角動量角動量),), 也是也是 空間量子化空間量子化的：的：zsSm 稱稱自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)1/2,sm 電子在外磁場中的兩種自旋運電子在外磁場中的兩種自旋運動狀態(tài)，常用圖形象化地描述。動狀態(tài)，常用圖形象化地描述。SSB(z)2/ 2/ 0Page 362.1.6 電子自旋磁矩電子自旋磁矩n 軌道角動量軌道角動量 軌道磁矩軌道磁矩n 自旋角動量自旋角動量 自旋磁矩自旋磁矩(1)(1) n類比類比,(1),0,1,2,0, 1,lBl zlBll llmml ,1(1)3212sBBs

19、 zsBBs sm 與實驗不符與實驗不符Page 372.1.6 電子自旋磁矩電子自旋磁矩n 自旋角動量自旋角動量 自旋磁矩自旋磁矩(2)(2) n假設(shè)假設(shè)n與實驗相符與實驗相符, ,并可從理論導(dǎo)出并可從理論導(dǎo)出n 朗德朗德 g g 因子因子(1)(1)n角動量角動量 j j 磁矩磁矩 j j,12,23()BsBs zsBBs sm ,(1)jBjjjjzBggj jm Page 382.1.6 電子自旋磁矩電子自旋磁矩n 朗德朗德 g g 因子因子(2)(2) ,:(11),lBlBjzljll lmg ,2221:2(1)3,sBBs zsBsBjss sgm 當(dāng)1gJ2，原子磁矩由軌道

20、磁矩與自旋磁矩共同貢獻。 gJ反映了在原子中軌道磁矩與自旋磁矩對總磁矩貢獻的大小。Page 39n 軌道角動量軌道角動量, ,自旋角動量自旋角動量 電子電子總角動量總角動量 n 矢量量子化合成規(guī)則矢量量子化合成規(guī)則(1)(1) LJS(1)Ss s(1)Jj j(1)Ll l0,1,1;ln1/2s 1/2jlsl zlLm0, 1, 2,lml zsSm1/2sm zjJmjlsmmm, (1),(1),jmjjjj 2.1.7 電子磁矩電子磁矩Page 40n 矢量量子化合成規(guī)則矢量量子化合成規(guī)則(2)(2)電子軌道角動量和電子電子軌道角動量和電子自旋角動量自旋角動量繞電子繞電子總總角動角

21、動旋進旋進2.1.7 電子磁矩電子磁矩Page 412.1.7 原子磁矩原子磁矩原子磁矩總是與電子的角動量聯(lián)系的。原子磁矩總是與電子的角動量聯(lián)系的。 根據(jù)根據(jù)原子的矢量模型，原子總角動量原子的矢量模型，原子總角動量P PJ J是總軌道角是總軌道角動量動量P PL L與總自旋角動量與總自旋角動量P PS S的矢量和：的矢量和：1JJSLJPPP總角量子數(shù)：總角量子數(shù)：J=L+S, L+S-1, |L-S|J=L+S, L+S-1, |L-S|。原子總角動量在外場方向的分量：原子總角動量在外場方向的分量：JHJmP 總磁量子數(shù)：總磁量子數(shù)：m mJ J =J,J-1,-J=J,J-1,-J 按原子

22、矢量模型，角動量按原子矢量模型，角動量P PL L與與P PS S繞繞P PJ J 進動。進動。故故L L與與S S也繞也繞P PJ J進動。進動。Page 422.1.7 原子磁矩原子磁矩原子中的原子中的角動量角動量耦合方式有兩種途徑耦合方式有兩種途徑 軌道自旋耦合軌道自旋耦合 （L-S)L-S)耦合耦合 角量子數(shù)角量子數(shù)- -角量子數(shù)耦合角量子數(shù)耦合 （j-jj-j）耦合）耦合 Page 432.1.7 原子磁矩原子磁矩L-SL-S耦合耦合1 1）首先合成原子軌道角動量）首先合成原子軌道角動量 和自旋角動量和自旋角動量 2 2）然后由）然后由P PL L和和P PS S再合成原子的再合成原

23、子的總角動量總角動量P PJ J。發(fā)生在原于序數(shù)較小的原子中，在元素周期表中發(fā)生在原于序數(shù)較小的原子中，在元素周期表中原子序數(shù)原子序數(shù)z z3232的原子，都為的原子，都為LSLS耦合。耦合。 鐵磁物質(zhì)的角動量大都屬于鐵磁物質(zhì)的角動量大都屬于LSLS耦合耦合1LLPL1SSPSPage 442.1.7 原子磁矩原子磁矩jjjj耦合耦合1）首先由各處電子的首先由各處電子的s s和和l l合成合成j j；2 2）然后再由各電子的）然后再由各電子的j j合成原于的總角量子數(shù)合成原于的總角量子數(shù)J J。原于序數(shù)原于序數(shù)z z8282的元素，電子本身的的元素，電子本身的sl耦合較強，耦合較強，這類原子的

24、這類原子的J J都以都以jjjj方式進行耦合。方式進行耦合。從從Z Z：32823282的原子，的原子，LSLS耦合逐步減弱，最后耦合逐步減弱，最后完全過渡到另一種耦合。完全過渡到另一種耦合。Page 452.1.7 原子磁矩原子磁矩45) 1(2) 1() 1() 1(3) 1(gJJLLSSJJgJJJBJJ其中）（注：注：1 1、蘭德因子、蘭德因子g gJ J的物理意義：的物理意義： 當(dāng)當(dāng)L=0L=0時，時，J=SJ=S，g gJ J=2, =2, 磁矩均來源于自旋運動。磁矩均來源于自旋運動。 當(dāng)當(dāng)S=0S=0時時, J=L, J=L，g gJ J=1=1， 磁矩均來源于軌道運動。磁矩均

25、來源于軌道運動。 當(dāng)當(dāng)1g1gJ J22， 原子磁矩由軌道磁矩與自旋磁矩共同貢獻。原子磁矩由軌道磁矩與自旋磁矩共同貢獻。 g gJ J反映了在原子中軌道磁矩與自旋磁矩對總磁矩反映了在原子中軌道磁矩與自旋磁矩對總磁矩貢獻的大小。貢獻的大小。BJSS) 1(2BJLL) 1( Page 46原子的磁性如何確定？原子的磁性如何確定？原子的磁矩原子的磁矩電子磁矩組成電子磁矩組成電子的磁矩電子的磁矩軌道磁矩軌道磁矩+ +自旋磁矩（矢量和）自旋磁矩（矢量和）原子中的電子按照不同的殼層排列，電子磁矩與電子的原子中的電子按照不同的殼層排列，電子磁矩與電子的角動量成正比角動量成正比當(dāng)原子中某一當(dāng)原子中某一電子殼

26、層排滿電子殼層排滿時，各個電子軌道運動與自時，各個電子軌道運動與自旋運動的取向旋運動的取向 占據(jù)了所有可能的方向，這些占據(jù)了所有可能的方向，這些方向呈對方向呈對稱分布稱分布，因此，電子的總角動量為零，該殼層得總角，因此，電子的總角動量為零，該殼層得總角動量為零。動量為零。只有當(dāng)某一只有當(dāng)某一電子殼層未被填滿電子殼層未被填滿時，這個殼層的電子總磁時，這個殼層的電子總磁矩才不為零，原子對外顯示矩才不為零，原子對外顯示磁性磁性。不同原子具有不同電子殼層結(jié)構(gòu)，原子組成不同物質(zhì)時，不同原子具有不同電子殼層結(jié)構(gòu)，原子組成不同物質(zhì)時，表現(xiàn)出不同的磁性。表現(xiàn)出不同的磁性。Page 47原子中每個電子都可以看作

27、是一個小磁體，具原子中每個電子都可以看作是一個小磁體，具有永久的軌道磁矩和自旋磁矩。有永久的軌道磁矩和自旋磁矩。 一個原子的凈磁矩是所有電子磁矩的相互作一個原子的凈磁矩是所有電子磁矩的相互作用的矢量和，又稱為用的矢量和，又稱為本征磁矩本征磁矩或或固有磁矩固有磁矩(intrinsic magnetic moment )m(intrinsic magnetic moment )matomatom。Page 48 所有物質(zhì)所有物質(zhì), ,不論處于什么狀態(tài)不論處于什么狀態(tài)( (晶態(tài)晶態(tài), ,非晶態(tài)非晶態(tài), ,液態(tài)液態(tài), ,氣氣態(tài)態(tài)),),在怎樣的溫度和壓力條件下都顯示或強或弱的磁性在怎樣的溫度和壓力條件

28、下都顯示或強或弱的磁性. .所所不同的是不同的物質(zhì)有不同的磁性不同的是不同的物質(zhì)有不同的磁性. .按物質(zhì)磁化的難易程度按物質(zhì)磁化的難易程度, ,物質(zhì)磁性分為物質(zhì)磁性分為: :抗磁性抗磁性, ,順磁性順磁性, ,鐵磁性鐵磁性; ;亞鐵磁性亞鐵磁性; ;反鐵磁性反鐵磁性. .MH抗磁性抗磁性反鐵磁性反鐵磁性順磁性順磁性亞鐵磁性亞鐵磁性鐵磁性鐵磁性不同磁不同磁性的性的M M與與H H 曲線曲線Page 49五種主要磁性的原子磁距分布特點五種主要磁性的原子磁距分布特點Page 50組成分子或宏觀物體的原子的平均磁矩一般不組成分子或宏觀物體的原子的平均磁矩一般不等于孤立原子的磁矩。這說明原子組成物質(zhì)后，

29、等于孤立原子的磁矩。這說明原子組成物質(zhì)后，原子之間的相互作用引起了磁矩的變化。原子之間的相互作用引起了磁矩的變化。因此計算宏觀物質(zhì)的原子磁矩時，必須考慮相因此計算宏觀物質(zhì)的原子磁矩時，必須考慮相互作用引起的變化?；プ饔靡鸬淖兓?。Page 511)1) 抗磁性：抗磁性：沒有固有原子磁矩沒有固有原子磁矩2)2) 順磁性：順磁性：有固有磁矩，沒有相互作用有固有磁矩，沒有相互作用3)3) 鐵磁性：鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用有固有磁矩，直接交換相互作用4)4) 反鐵磁性：反鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用有固有磁矩，直接交換相互作用5)5) 亞鐵磁性：亞鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作

30、用有固有磁矩，間接交換相互作用 每一種材料至少表現(xiàn)出其中一種磁性，這取決于每一種材料至少表現(xiàn)出其中一種磁性，這取決于材料的成分和結(jié)構(gòu)材料的成分和結(jié)構(gòu)。 是否有固有原子磁矩？是否有相互作用？是什么相互作用？是否有固有原子磁矩？是否有相互作用？是什么相互作用？物質(zhì)磁性分類的原則物質(zhì)磁性分類的原則Page 52n 角動量大小量子化角動量大小量子化n 角動量取向量子化角動量取向量子化 n 磁矩大小量子化磁矩大小量子化n 磁矩外場取向量子化磁矩外場取向量子化,0;(1,1),Lll l,0, 1, 2,lzlmLlm (1)lBl l, l zlBm上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要電子軌道角動量Page 53上

31、節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要n 朗德朗德 g g 因子因子n角動量角動量 j j 磁矩磁矩 j j,(1)jBjjjjzBggj jm ,:(11),lBlBjzljll lmg ,2221:2(1)3,sBBs zsBsBjss sgm 當(dāng)1gJHMH順磁性材料：順磁性材料：H=8H=8 10108 8A/m A/m 原子磁距整齊排列原子磁距整齊排列鐵磁性材料：鐵磁性材料： H=H=10103 3A/m A/m 原子磁距整齊排列原子磁距整齊排列Page 893)、磁滯效應(yīng)、磁滯效應(yīng)2)、有飽和狀態(tài)、有飽和狀態(tài) 1)、B-H/M-H關(guān)關(guān) 系非線性系非線性 2.4.2鐵磁性的基本特點鐵磁性的基本特點P

32、age 902.4.2鐵磁性的基本特點鐵磁性的基本特點5)、Br 有關(guān)有關(guān)4)、；10 rBB 磁化率可高達磁化率可高達10103 3，MHMH6)、超過居里溫度變?yōu)轫槾刨|(zhì)、超過居里溫度變?yōu)轫槾刨|(zhì)TcHB rOB-H r -HPage 912.4.3鐵磁性的理論鐵磁性的理論 法國物理學(xué)家法國物理學(xué)家P.-E.P.-E.外斯于外斯于19071907年提出了鐵磁年提出了鐵磁現(xiàn)象的唯象理論。現(xiàn)象的唯象理論。 他假定鐵磁體內(nèi)部存在強大的他假定鐵磁體內(nèi)部存在強大的“分子場分子場”，即，即使無外磁場，在這種很強的使無外磁場，在這種很強的“分子場分子場”作用下，原作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，及自發(fā)磁化

33、至飽和，稱子磁矩趨于同向平行排列，及自發(fā)磁化至飽和，稱為為自發(fā)磁化。自發(fā)磁化。 自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為磁疇磁疇，每個磁疇的磁化，每個磁疇的磁化均達到磁飽和。均達到磁飽和。Page 922.4.3鐵磁性的理論鐵磁性的理論 實驗表明，實驗表明，磁疇磁矩起因于磁疇磁矩起因于電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩。 1928 1928年年W.K.W.K.海森伯首先用量海森伯首先用量子力學(xué)方法計算了鐵磁體的自子力學(xué)方法計算了鐵磁體的自發(fā)磁化強度，給予外斯的發(fā)磁化強度，給予外斯的“分分子場子場”以量子力學(xué)解釋。以量子力學(xué)解釋。 1930 1930年年F.F.布洛赫提出了自布洛赫提出了自旋波理論。海

34、森伯和布洛赫的旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認為鐵磁理論認為鐵磁性來源于不鐵磁性來源于不配對的電子自旋的直接交換作配對的電子自旋的直接交換作用用。Page 932.4.3鐵磁性的理論鐵磁性的理論鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強的鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強的“分子場分子場”，在，在“分子場分子場”的作用下，原子磁矩的作用下，原子磁矩趨于趨于同向平行排列，即自發(fā)磁同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個小區(qū)域化至飽和；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個小區(qū)域( (這這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇) )，由于各個由于各個區(qū)域區(qū)域( (磁疇磁疇) )的磁化方向各不相同，其磁

35、性彼此相互的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。Page 942.4.3鐵磁質(zhì)的磁化鐵磁質(zhì)的磁化B Bo oPage 952.4.3鐵磁質(zhì)的磁化鐵磁質(zhì)的磁化Page 962.4.4鐵磁性的來源鐵磁性的來源鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過程所謂磁化過程( (又稱感磁或充磁又稱感磁或充磁) )只不過是把物質(zhì)只不過是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過程。磁性的過程。實驗證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子實驗證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原

36、子( (正離正離子子) )磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。的必要條件。Page 97 例如鐵的例如鐵的3d3d狀態(tài)有四個空位，鈷的狀態(tài)有四個空位，鈷的3d3d狀態(tài)有狀態(tài)有三個空位，鎳的三個空位，鎳的3d 3d 態(tài)有二個空位。如果使充填的態(tài)有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁矩，理論上鐵有矩，理論上鐵有4

37、4B B，鈷有，鈷有33B B，鎳有，鎳有22B B。 可是對另一些過渡族元素，如錳在可是對另一些過渡族元素，如錳在3d3d態(tài)上有態(tài)上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應(yīng)是五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應(yīng)是5B5B，但它并不是鐵磁性元素。，但它并不是鐵磁性元素。 2.4.4鐵磁性的來源鐵磁性的來源Page 982.4.4鐵磁性的來源鐵磁性的來源Transitional metal - Unfilled d-, f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!Page 992.4.4鐵磁性的來源鐵磁性的來源產(chǎn)生鐵磁性不僅僅在于元素的原子磁矩是否

38、高，而產(chǎn)生鐵磁性不僅僅在于元素的原子磁矩是否高，而且還要考慮且還要考慮形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個條件。條件。 1928 1928年，弗侖克爾提出：自發(fā)磁化起源于電子年，弗侖克爾提出：自發(fā)磁化起源于電子間特殊的相互作用；海森堡證明：分子場是量子力間特殊的相互作用；海森堡證明：分子場是量子力學(xué)交換作用的結(jié)果。學(xué)交換作用的結(jié)果。 從此得到結(jié)論：從此得到結(jié)論：鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用。的靜電交換相互作用。Page 1002.4.

39、3鐵磁性的來源鐵磁性的來源NjijiijexAESS2交換作用能交換作用能注：注：1.1. 交換作用只有發(fā)生在磁性原子或離子間時才會交換作用只有發(fā)生在磁性原子或離子間時才會對自發(fā)磁化產(chǎn)生影響。對自發(fā)磁化產(chǎn)生影響。2.2. 交換作用是一種近程作用，只能在最近鄰之間。交換作用是一種近程作用，只能在最近鄰之間。 a a、若、若i i原子與原子與j j原子相距很遠，則：原子相距很遠，則：A Aijij0 0 b b、 A Aij ij AAi i，j+1j+13.3. 因此可以認為因此可以認為A AijijA A（常數(shù)）（常數(shù)）NjijiexAESS2Page 1012.4.3鐵磁性的來源鐵磁性的來源

40、 對于基態(tài)，要求對于基態(tài)，要求E Eexex00（以滿足能量最低原則），（以滿足能量最低原則），02jiASS1.1. 若若A0,A0,A0,則則 ，自旋平行為，自旋平行為基態(tài)（鐵磁性）；基態(tài)（鐵磁性）；3.3. 若若A=0A=0，系統(tǒng)能量與近鄰電子磁性殼層中電子相對，系統(tǒng)能量與近鄰電子磁性殼層中電子相對取向無關(guān)，因此物質(zhì)呈順磁性。取向無關(guān)，因此物質(zhì)呈順磁性。（A A是決定物質(zhì)磁性的重要參量是決定物質(zhì)磁性的重要參量）0cosjijiSSSS0cosjijiSSSSPage 102根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換

41、。對于過渡電子云要相互重疊，電子要相互交換。對于過渡族金屬，原子的族金屬，原子的3d3d的狀態(tài)與的狀態(tài)與s s態(tài)能量相差不大，因態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起此它們的電子云也將重疊，引起s s、d d狀態(tài)電子的狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能E Eexex( (與交換積與交換積分有關(guān)分有關(guān)) )，此交換能有可能使相鄰原子內(nèi)此交換能有可能使相鄰原子內(nèi)d d層未抵層未抵消的自旋磁矩同向排列起來消的自旋磁矩同向排列起來。量子力學(xué)計算表明，當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的量子力學(xué)計算表明，當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子交換積分為正時電子交換積分為正時(A

42、(A0)0)，相鄰原子磁矩將同，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現(xiàn)自發(fā)磁化。向平行排列，從而實現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因。 2.4.3鐵磁性的來源鐵磁性的來源Page 1032.4.4鐵磁性的來源鐵磁性的來源 a a為原子半徑為原子半徑r r為未填滿電子層為未填滿電子層軌道半徑軌道半徑Page 104 根據(jù)自發(fā)磁化的過程和理論，可以解釋許根據(jù)自發(fā)磁化的過程和理論，可以解釋許多鐵磁特性。例如溫度對鐵磁性的影響。多鐵磁特性。例如溫度對鐵磁性的影響。當(dāng)溫當(dāng)溫度升高時，原子間距加大，降低了交換作用，度升高時，原子間距加大，降低了交換作用，同時熱運動不斷破壞原子磁矩的規(guī)則

43、取向，故同時熱運動不斷破壞原子磁矩的規(guī)則取向，故自發(fā)磁化強度自發(fā)磁化強度MsMs下降。直到溫度高于居里點，下降。直到溫度高于居里點，以致完全破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，自發(fā)磁以致完全破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，自發(fā)磁矩就不存在了，材料由鐵磁性變?yōu)轫槾判浴＞鼐筒淮嬖诹?，材料由鐵磁性變?yōu)轫槾判?。同同樣，可以解釋磁晶各向異性、磁致伸縮等。樣，可以解釋磁晶各向異性、磁致伸縮等。2.4.4鐵磁性的來源鐵磁性的來源 Page 105第五節(jié)第五節(jié)反反 鐵鐵 磁磁 性性Page 1062.5.1反鐵磁性特點反鐵磁性特點在有些材料中，相鄰原子或離子的在有些材料中，相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平磁矩呈反方向平行排列行

44、排列，結(jié)果，結(jié)果總磁矩為零總磁矩為零，叫反鐵磁性。，叫反鐵磁性。研究發(fā)現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)，純金屬純金屬-Mn、Cr等是屬于反鐵磁性等是屬于反鐵磁性。還有許多還有許多金屬氧化物如金屬氧化物如MnO、Cr2O3 、 CuO、NiO等也屬于反鐵磁性等也屬于反鐵磁性。Page 107存在一個磁性存在一個磁性轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度-奈爾溫度奈爾溫度T TN N1NTTO2.5.1反鐵磁性特點反鐵磁性特點Tc在尼爾點附近普遍存在在尼爾點附近普遍存在熱膨脹、電阻、比熱、彈熱膨脹、電阻、比熱、彈性等反?，F(xiàn)象性等反?，F(xiàn)象，由于這些反?，F(xiàn)象，使反鐵磁物，由于這些反?，F(xiàn)象，使反鐵磁物質(zhì)可能成為有實用意義的材料。質(zhì)可能成為有實用

45、意義的材料。Page 108NjijiexAESS22.5.1反鐵磁性特點反鐵磁性特點鄰近原子的交換積分鄰近原子的交換積分A A0 0時，原子磁矩取同向平時，原子磁矩取同向平行排列時能量最低，自發(fā)磁化強度行排列時能量最低，自發(fā)磁化強度Ms0Ms0從而從而具有具有鐵磁性鐵磁性。如果交換積分如果交換積分A A0 0時，則原子磁矩取反向平行排時，則原子磁矩取反向平行排列能量最低。列能量最低。-反鐵磁性反鐵磁性Page 1092.5.2反鐵磁結(jié)構(gòu)反鐵磁結(jié)構(gòu) 反鐵磁性物質(zhì)中的磁性離子構(gòu)成的晶格，可以分反鐵磁性物質(zhì)中的磁性離子構(gòu)成的晶格，可以分為兩個相等而又相互貫穿的為兩個相等而又相互貫穿的次晶格次晶格。

46、Page 1102.5.2反鐵磁結(jié)構(gòu)反鐵磁結(jié)構(gòu)Page 1112.5.3超交換作用超交換作用對于一些對于一些含磁性離子的化合物含磁性離子的化合物磁性離子之間的交磁性離子之間的交換作用是通過隔在中間的非磁性離子為換作用是通過隔在中間的非磁性離子為媒介媒介來來實現(xiàn)的，稱為實現(xiàn)的，稱為超交換作用超交換作用。 交換作用是一種近程作用，只能在最近鄰之間發(fā)交換作用是一種近程作用，只能在最近鄰之間發(fā)生。生。Page 1122.5.3超交換作用超交換作用MnOMnO具有面心立方結(jié)具有面心立方結(jié)構(gòu)，構(gòu)，Mn2+離子的最近離子的最近鄰為鄰為6個氧離子個氧離子O2-，而氧離子的最近鄰為而氧離子的最近鄰為6個錳離子個

47、錳離子Mn2+。Page 1132.5.3超交換作用超交換作用MnO的的Mn-O-Mn耦合鍵角耦合鍵角Page 114上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要由于各個區(qū)域由于各個區(qū)域( (磁疇磁疇) )的磁化方向各不相同，其磁的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。性。B Bo oPage 115上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用。鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用。交換作用能交換作用能NjijiexAESS21.1. 交換作用只有發(fā)生在磁性原子或離子間時才會交換作用只有發(fā)生在磁性原子或離子間時

48、才會對自發(fā)磁化產(chǎn)生影響。對自發(fā)磁化產(chǎn)生影響。2.2. 交換作用是一種近程作用，只能在最近鄰之間。交換作用是一種近程作用，只能在最近鄰之間。Page 116上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要對于基態(tài)，要求對于基態(tài)，要求E Eexex00（以滿足能量最低原則），（以滿足能量最低原則），02jiASS1.1. 若若A0,A0,A0,則則 ，自旋平行為，自旋平行為基態(tài)（鐵磁性）；基態(tài)（鐵磁性）；3.3. 若若A=0A=0，系統(tǒng)能量與近鄰電子磁性殼層中電子相對，系統(tǒng)能量與近鄰電子磁性殼層中電子相對取向無關(guān)，因此物質(zhì)呈順磁性。取向無關(guān)，因此物質(zhì)呈順磁性。（A A是決定物質(zhì)磁性的重要參量是決定物質(zhì)磁性的重要參量）0c

49、osjijiSSSS0cosjijiSSSSPage 1171 1、 原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層必要條件必要條件 （原子固有磁矩（原子固有磁矩 不為零）不為零）2 2、 電子交換積分電子交換積分A0 A0 充分條件充分條件 （具有一定晶體結(jié)構(gòu)）（具有一定晶體結(jié)構(gòu)）上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要鐵磁性產(chǎn)生的條件鐵磁性產(chǎn)生的條件Page 118上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要反鐵磁性反鐵磁性-相鄰原子或離子的相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平磁矩呈反方向平行排列行排列，結(jié)果，結(jié)果總磁矩為零總磁矩為零。1NTTO存在一個磁性存在一個磁性轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度-奈爾溫度奈爾溫度T TN NTcP

50、age 119上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要 反鐵磁性物質(zhì)中的磁性離子構(gòu)成的晶格，可以分反鐵磁性物質(zhì)中的磁性離子構(gòu)成的晶格，可以分為兩個相等而又相互貫穿的為兩個相等而又相互貫穿的次晶格次晶格。Page 120上節(jié)內(nèi)容提要上節(jié)內(nèi)容提要MnO超交換作用超交換作用-對于一些對于一些含含磁性離子的化合物磁性離子的化合物磁性離磁性離子之間的交換作用是通過子之間的交換作用是通過隔在中間的非磁性離子為隔在中間的非磁性離子為媒介媒介來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。 MnO的的Mn-O-Mn耦合鍵角耦合鍵角Page 121第六節(jié)第六節(jié)亞亞 鐵鐵 磁磁 性性Page 122122亞鐵磁性物質(zhì)由磁矩大小不同的兩種離子亞鐵磁性物質(zhì)由磁

51、矩大小不同的兩種離子( (或原或原子子) )組成，組成，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。由于兩由于兩種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩，這就是，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩，這就是亞鐵亞鐵磁性磁性（ferrimagnetismferrimagnetism）。）。 2.6.1亞鐵磁性的特點亞鐵磁性的特點亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵

52、磁性的低。亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵磁性的低。Page 1232.6.1亞鐵磁性的特點亞鐵磁性的特點鐵磁性鐵磁性反鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性亞鐵磁性Page 124 每種亞點陣的自發(fā)磁化強度隨每種亞點陣的自發(fā)磁化強度隨溫度變化的規(guī)律溫度變化的規(guī)律彼此不同彼此不同，因而相加后的磁化強度隨溫度的變化曲，因而相加后的磁化強度隨溫度的變化曲線可以具有不同于鐵磁性的各種特殊形狀，可以分線可以具有不同于鐵磁性的各種特殊形狀，可以分為為P型、型、R型和型和N型型，也有與鐵磁性相同的，也有與鐵磁性相同的Q型。其型。其中中N型在型在T=TCOM時，時，MS=0，表示反平行排列的亞，表示反平行排列的亞點陣的磁矩在此溫度下互相抵消，點陣的磁矩在此溫度下互相抵消， TCOM叫抵消點。叫抵消點。2