鐵磁、反鐵磁、順磁、抗磁

鐵磁性鐵磁性Ferromagnetism過渡族金屬（如鐵）及它們的合金和化合物所具有的磁性叫做鐵磁性，這個名稱的由來是因為鐵是具有鐵磁性物質(zhì)中最常見也是最典型的。釤(Samarium)，釹(neodymium)與鈷的合金常被用來制造強磁鐵。鐵磁理論的奠基者，法國物理學(xué)家P.-E.外斯于1907年提出了鐵磁現(xiàn)象的唯象理論。他假定鐵磁體內(nèi)部存在強大的“分子場”，即使無外磁場，也能使內(nèi)部自發(fā)地磁化；自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為磁疇，每個磁疇的磁化均達到磁飽和。實驗表明，磁疇磁矩起因于電子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力學(xué)方法計算了鐵磁體的自發(fā)磁化強度，給予外斯的“分子場”以量子力學(xué)解釋。1930年F.布洛赫提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認(rèn)為鐵磁性來源于不配對的電子自旋的直接交換作用。鐵磁性材料存在長程序，即磁疇內(nèi)每個原子的未配對電子自旋傾向于平行排列。因此，在磁疇內(nèi)磁性是非常強的，但材料整體可能并不體現(xiàn)出強磁性，因為不同磁疇的磁性取向可能是隨機排列的。如果我們外加一個微小磁場，比如螺線管的磁場會使本來隨機排列的磁疇取向一致，這時我們說材料被磁化[1]。材料被磁化后，將得到很強的磁場，這就是電磁鐵的物理原理。當(dāng)外加磁場去掉后，材料仍會剩余一些磁場，或者說材料"記憶"了它們被磁化的歷史。這種現(xiàn)象叫作剩磁，所謂永磁體就是被磁化后，剩磁很大。當(dāng)溫度很高時，由于無規(guī)則熱運動的增強，磁性會消失，這個臨界溫度叫居里溫度(Curietemperature)。如果我們考察鐵磁材料在外加磁場下的機械響應(yīng)，會發(fā)現(xiàn)在外加磁場方向，材料的長度會發(fā)生微小的改變，這種性質(zhì)叫作磁致伸縮(magnetostriction)。產(chǎn)生鐵磁性條件：鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化：鐵磁現(xiàn)象雖然發(fā)現(xiàn)很早，然而這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因和規(guī)律，還是在本世紀(jì)初才開始認(rèn)識的。1907年法國科學(xué)家外斯系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說，其主要內(nèi)容有：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強的“分子場”，在“分子場”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個小區(qū)域(這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇)，由于各個區(qū)域(磁疇)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。外斯的假說取得了很大成功，實驗證明了它的正確性，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了現(xiàn)代的鐵磁性理論。在分子場假說的基礎(chǔ)上，發(fā)展了自發(fā)磁化（spontaneousmagnetization）理論，解釋了鐵磁性的本質(zhì)；在磁疇假說的基礎(chǔ)上發(fā)展了技術(shù)磁化理論，解釋了鐵磁體在磁場中的行為。鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過程(又稱感磁或充磁)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)提供磁性的過程。實驗證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子(正離子)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，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)生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀態(tài)有四個空位，鈷的3d狀態(tài)有三個空位，鎳的3d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，將會得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，鈷有3μB，鎳有2μB?？墒菍α硪恍┻^渡族元素，如錳在3d態(tài)上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應(yīng)是5μB，但它并不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)(d或f態(tài))是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產(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條件。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。對于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能Eex(與交換積分有關(guān))，此交換能有可能使相鄰原子內(nèi)d層末抵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)部相鄰原子的電子交換積分為正時(A＞0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強磁場一樣。外斯分子場就是這樣得名的。理論計算證明，交換積分A不僅與電子運動狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，而且強烈地依賴子原子核之間的距離Rab(點陣常數(shù))，如圖5-13所示。由圖可見，只有當(dāng)原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大于3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發(fā)磁化的條件。鉻、錳的A是負(fù)值，不是鐵磁性金屬，但通過合金化作用，改變其點陣常數(shù)，使得Rab/r之比大于3，便可得到鐵磁性合金。法；在順磁性和順磁共振基礎(chǔ)上發(fā)展起來的順磁微波量子放大器，不但是早期研制和應(yīng)用的一種超低噪聲的微波放大器，而且也促進了激光器的研究和發(fā)明，在生命科學(xué)方面，如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結(jié)合時為順磁性，但在同氧結(jié)合后便轉(zhuǎn)變?yōu)榭勾判?，這兩種弱磁性的相互轉(zhuǎn)變就反映了生物體內(nèi)的氧化和還原過程，因而其磁性研究成為這種重要生命現(xiàn)象的一種研究方法；如果目前醫(yī)學(xué)上有著重要應(yīng)用的核磁共振成像技術(shù)發(fā)展到電子順磁共振成像技術(shù)，可以預(yù)料利用這一技術(shù)便可顯示生物體內(nèi)順磁物質(zhì)(如血紅蛋白和自由基等)的分布和變化，這會在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)上得到重要的應(yīng)用。簡而言之：電子自旋產(chǎn)生磁場，分子中有不成對電子時，各單電子平行自旋，磁場加強。這時物質(zhì)呈順磁性。抗磁性diamagnetism抗磁性是一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當(dāng)受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發(fā)生變化，而且在與外加磁場的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩。這樣表示物質(zhì)磁性的磁化率便成為很小的負(fù)數(shù)(量)。磁化率是物質(zhì)在外加磁場作用下的合磁矩(稱為磁化強度)與磁場強度之比值，符號為κ。一般抗磁(性)物質(zhì)的磁化率約為負(fù)百萬分之一(-10-6)。常見的抗磁物質(zhì)：水、金屬銅、碳(C)和大多數(shù)有機物和生物組織?？勾盼镔|(zhì)的一個重要特點是磁化率不隨溫度變化。物質(zhì)抗磁性的應(yīng)用主要有：由物質(zhì)的磁化率研究相關(guān)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是磁化學(xué)的一個重要研究內(nèi)容；一些物質(zhì)如半導(dǎo)體中的載(電)流子在一定的恒定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發(fā)生抗磁共振(常稱回旋共振)，由此可測定半導(dǎo)體中載流子(電子和空穴)的符號和有效質(zhì)量；由生物抗磁(性)組織的磁化率異常變化可推測該組織的病變(如癌變)。核磁共振譜中的抗磁性。它是由于原子核外電子環(huán)流的作用使物質(zhì)具有的磁特性。當(dāng)所產(chǎn)生的磁性作用在與外加磁場相反的方向時產(chǎn)生屏蔽，則稱為抗磁性。如物質(zhì)中存在不配對電子時，則出現(xiàn)順磁性，而且可超過任何的抗磁性。屏蔽與去屏蔽取決于核相對任一感生磁場的方向，故稱為各向異性效應(yīng)?？勾判愿飨虍愋允怯搔泻挺碾娮釉苾?nèi)的環(huán)流引起的。一般而言,分子中無不成對電子時,物質(zhì)呈抗磁性1970年，瑞典皇家科學(xué)院決定把該年度的諾貝爾物理學(xué)獎授予瑞典物理學(xué)家阿爾芬及法國物理學(xué)家奈爾，因為阿耳芬在磁流體及等離子體方面作出了重大貢獻，而奈爾則因在反鐵磁和亞鐵磁方面的重要發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)研究而獲獎的。奈爾，1904年11月22日出生于法國里昂，他在物理學(xué)中的主要貢獻除發(fā)現(xiàn)反鐵磁性和鐵氧磁體外，還在物理磁性的其它方面做了一些重要工作，如微粒的磁性，磁性輸運，磁體內(nèi)部分散磁場、超反鐵磁性等。我們今天主要介紹它所發(fā)現(xiàn)的反鐵磁性與亞鐵磁性。

大約到了本世紀(jì)三十年代初，人們對反磁性、順磁性和鐵磁性已得到滿意的說明。1932年，奈爾發(fā)現(xiàn)根據(jù)磁矩間相互作用又很自然地說明了另一種鐵磁體的磁性，即反鐵磁性，按照奈爾的理論，在反鐵磁體中磁矩存在兩套排列方式。我們知道，鐵磁體磁化時，各個組成原子的磁矩傾向于按同一方向排列，即平行于外磁場的方向排列，因此鐵磁體的總磁矩就等于所有組成原子的磁矩之和。如果也把鐵磁體中磁矩分成兩套排列方式的話，這兩套磁矩具有相同的排列方式。如圖（a）；對于反鐵磁體中的兩套磁矩，它們是相間排列的，每套磁矩排列是完全一致的，相鄰磁矩排列卻是反平行的，兩套磁矩大小幾乎一樣，因此其總的磁矩也幾乎為零，如圖（b）。鐵磁性、反鐵磁性與亞鐵磁性磁矩排列示意圖1948年，奈爾又根據(jù)他的理論成功地解釋了亞鐵性的磁化規(guī)律，奈爾認(rèn)為，在亞鐵磁體磁化時，兩套磁矩的排列也是相反的，但兩套磁矩的大小不相等，沿某一方向排列的磁矩較大，沿相反方向排列的磁矩較小如圖（c），因此，亞鐵磁體仍顯示出較強的鐵磁性。

奈爾經(jīng)過研究后還發(fā)現(xiàn)，與鐵磁體相類似地反鐵磁體與亞鐵磁體也存在一個臨界轉(zhuǎn)變溫度，在這個溫度以下磁體