6物质磁性的来源解析

物质磁性的来源物质磁性的来源1.基本磁现象.2.电与磁的关系.3.物质原子结构.4.物质磁性的来源.1.基本磁现象.一.自然界存在的磁现象我们的地球本身就是个大磁体1.基本磁现象.阻挡太阳高能粒子(太阳风)是地球磁场其中作用之一有效地保护地球生物免受伤害1.基本磁现象.中国古代四大发明之一司南(指南针)但多数时候被用来看风水(罗盘)1.基本磁现象.A.磁极B.磁作用C.磁力线NSNSSN2.电与磁的关系.通电线圈有磁场产生SN直流导线周围有磁场闪电可令指南针偏转2.1电与磁的关系2.电与磁的关系.2.2磁与电的关系磁感应现象2.电与磁的关系.2.3事实上，电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。那么一些在宏观上显磁性的物质是否存在着电流呢?3.物质原子结构.3.1原子结构图3.物质原子结构.3.2原子核外电子的排布规律核外电子排布必需遵守的两个原理A.泡利不相容原理:同一系统中，不能有两个或两个以上的费米子具有完全相同的量子态就是说在原子中不能有两个电子处于同一状态上,原子中的电子都处于不同的状态.B.能量最小原理电子在原子轨道上分布，要尽可能使整个原子系统能量最低。因为原子能量最低时它最稳定,所以电子在填充进原子时总是先填充能量低的,再填充能量高,不能所有电子都填在能量低级上.3.3原子核外电子的排布规律由内到外，能量逐渐升高1234567KLMNOPQ281832502n2A.电子按能量高低在核外分层排布B.电子总是尽先排布在能量最低的电子层里。C.每个电子层最多只能排布2n2个电子。D.K层为最外层时，最多只能容纳2个电子。E.其它各层为最外层时，最多只能容纳8个电子。F.次外层最多不超过18个电子。3.4多电子原子的核外电子状态多电子原子核外电子的运动状态仍用四个量子数(n,l,m,ms)描写1.主量子数电子的能量En,l主要由n决定，一般情况下n较高的状态，能量也较高2.副量子数决定电子绕核运动的角动量亦影响电子能量原子序数56的多电子原子的能级高低可用经验公式：ln7.0大的能级高3,2,1n1,,2,1,0nl)1(llL3.4多电子原子的核外电子状态3.磁量子数决定电子绕核运动角动量的空间取向4.自旋量子数决定电子自旋角动量的空间取向电子绕核运动形成磁矩轨道磁矩为:Lmel2自旋磁矩为:Smeslm,,2,1,0mLzszmS21sm3.4多电子原子的核外电子状态总磁矩为:slSmeLme2原子处在磁场中,磁场对原子的相互作用能为:BEBszlz)(zzSmeBLmeB2slmmBemmBe2当外加磁场时，电子角动量的空间取向不同，其由于磁场的存在而附加的能量不同造成电子能级Enl的分裂——塞曼效应未分裂时的能级Enl称为简并能级n123主壳层KLMl001012次壳层sspspdM00-1010-101-2-1012MS↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓状态数或最多电子数2262610818n4主壳层Nl0123次壳层spdfM0-101-2-1012-3-2-10123MS↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓状态数或最多电子数261014323.4多电子原子的核外电子状态3.5原子核外电子的运动电子运动：轨道运动+自旋运动A.电子的运动→以接近(0.95倍)光速绕原子核作圆周运动→从而产生轨道磁矩.B.电子本身是有自旋的→从而产生电子自旋磁矩C.分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋磁矩构成的，磁介质的磁化就是外磁场对分子磁矩作用的结果。3.6磁矩简述描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量。平面载流线圈的磁矩定义为m=iSn式中i电流强度；S为线圈面积；n为与电流方向成右手螺旋关系的单位矢量。在均匀外磁场中，平面载流线圈不受力而受力矩，该力矩使线圈的磁矩m转向外磁场B的方向；在均匀径向分布外磁场中，平面载流线圈受力矩偏转。许多电机和电学仪表的工作原理即基于此。在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因自旋具有自旋磁矩；原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细结构，磁场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有复杂的结构。4.物质磁性的来源A.物质的磁性来源于原子的磁性,原子具有磁矩.由于原子的结构不同所以各种原子的磁矩不同,有的可能为零.B.原子的磁矩来源于电子(原子核的磁矩很少可以忽略)C.电子的磁矩又分为轨道磁矩和自旋磁矩两部分,有时也用磁偶极矩来表示磁性的强弱(它和磁矩具有相同的物理意义,数值上只差一个比例常数(真空磁导率μ0＝4π×10-7韦伯／（安培·米）),原子的磁偶极矩μ原与原子磁矩m原之间的关系为:μ原=μ0m原4.2电子的轨道磁矩电子绕原子核作轨道运动,相当于有电流的闭合回路,它产生一个磁偶极矩.由于轨道平面有不同的方向,在有外磁场的的情况下,电子轨道磁偶极矩在磁场方向上的分量为:μlz=m1·μB式中:m1为磁量子数μB=(μ0e/2m)h/2π=1.165×10-29(韦伯·米),称为玻尔磁子,是磁偶极矩的最小单位,其中:e和m分别是电子的电量与质量.在填满了电子的次壳层中,各电子的轨道分别占据了所有可能的方向,所以轨道磁偶极矩相互抵消,于是在计算原子的总轨道磁矩时,只需在考虑未填满的那些次壳层上的电子.4.物质磁性的来源4.3电子的自旋磁矩.电子具有自旋,所以也就有一个自旋磁偶极矩.实验测得的自旋磁偶极矩在外磁场方向是分量等于一个玻尔磁子μB取正反向,所以μS=±μB电子自旋磁偶极矩μS与自旋角动量Ps关系为μS=-γSPs式中γS=μ0e/m,称为自旋磁化.计算原子的总磁偶极矩时,也只需考虑未填满的次壳层中的电子.4.物质磁性的来源4.4铁磁物质中的原子磁矩和离子磁矩在Fe,Co,Ni这类铁磁物质的晶体中,由于原子子(或离子)的有规则排列,造成空间周期变化的静电场,它对原子的轨道运动产生很大的影响,使电子无能无力的轨道平面摇晃不定.所以电子的轨道角动量或者它在某一方向上的分量不能稳定的值,因而轨道角动量平均起来可能为零,不能产生轨道磁矩,对外不表现磁性,这和情况我们称为:轨道磁冻结.因此在晶体中,原子的轨道磁矩对原子的总磁矩没有贡献,在这种情况下:原子的磁矩只能来源于未填满壳层中电子的未被抵消的自旋磁距.4.物质磁性的来源4.5如何计算未抵消的自旋磁矩数:例1:Fe原子铁原子的基态A.铁原子有26个电子,它们在各壳层的填充方式(组态)为1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d6,4s2其中未填满的次壳层是d层,.B.d层5个不同方向的轨道,每个轨道上可容纳自旋一正一反两个电子,所以d可以容纳10个电子,而现在只填了6个电子,而在填充时,先在5个轨道上分别填上一个电子,它们的自自旋磁矩是互相平行(主样能量最低)然后再填充其余的电子,其自旋方向与先填的5个电子相反,所以铁原子3d层上的6个电子应该是这样分布的→→→→→←C.因为每个电子的自旋磁偶极矩的在外样场方向上的分量是一个玻尔磁子,所以未被抵消的自旋磁偶极矩应该是μSz=5μB-1μB=4μB4.物质磁性的来源例2:Fe3+Fe3+的基态Fe3+有23个电子,组态是1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d5不满也是3d层,按照上述的填充方式3d层的5个电子应该是这样分布的→→→→→结果未抵消的自旋磁偶极矩是μSz=5μB4.物质磁性的来源4.6一些金属离子的磁矩离子未抵消电子数离子磁矩μBCr3+,Mn4+33Cr2+,Mn3+44Mn2+,Fe3+,Co4+55Fe2+,Co3+44Co2+,Ni3+33Ni2+22Cu2+11Cu+,Zn2+004.物质磁性的来源4.7铁族元素磁性简述铁族元素的磁性最强,这些过渡族金属元素的磁行为特点是d壳层上的磁性电子对磁矩作用贡献,但d南壳层上的电子受外界环境影响大,存在轨道角动量”冻结”现象,按式中:J原子总角量子数;gj兰德因子,可由实验精确测定,gj=1时原子磁矩由自旋磁矩贡献,gj=2时原子磁矩由轨道磁矩贡献,gj在1~2之间时两者共同贡献;计算的离子磁矩要比实验值大,这是因为上式是对原子自由状态下获得的,即μj不受周围其它原子的相互作用时,由原子自身的总角动量矩所产生的磁矩.而实际测得的磁矩,并不是单个自由原子或离子子的磁矩.例如,铁原子它的组态是:1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d6,4s2,其基态量子数有S=2,L=2,J=4,g=3/2,由上式计算出磁矩应是6.7μB.但实测得铁原子磁矩是2.22μB,两者相差甚大.μj=gj√J(J+1)4.物质磁性的来源离子电子组态μj=gj√J(J+1)μs=2√S(S+1)μs(实测值)Ti3+,V4+V3+Cr3+,V2+Mn3+,Cr2+Fe3+,Mn2+Fe2+Co2+Ni2+Cu2+3d13d23d33d43d53d63d73d83d91.551.630.7705.926.76.635.593.551.732.833.874.95.924.93.872.831.731.82.83.84.95.95.44.83.21.9从上表可以看出,铁金属离子的磁矩的实验值,只与式(注:S为总自旋量子数)计算很接近,而与式计算相差很大.这说明铁族元素的离子磁矩主要由电子的自旋作贡献,而电子磁矩很小甚至于不作贡献.这可以由轨道角动量”冻结”的理论来解释.当轨道角动量不作用时就出现总量子数J近似等于自旋量子数S,这时只有自旋磁矩对晶体的离子磁矩作贡献.μS=2√S(S+1)μj=gj√J(J+1)4.物质磁性的来源4.8物质的宏观磁性描述物质的磁性,我们用单位体积内的总磁偶极矩或总磁矩来表示:J=μ0M式中:J是单位体积内的总总磁偶极矩,称为磁极化强度M是单位体积内的总磁矩,称为磁化强度μ0是真空磁导率.把物体放在磁场中,物体就被磁化了,其磁化强度M与磁场强度H的关系为M=XH式中X称为物质的磁化率(有些称为相对磁化率,而把μ0X=J/M称为磁化率)4.物质磁性的来源4.物质磁性的来源按X的大小可把物质分为三类:一.X0,这类物质称为抗磁性物质,/X/约为10-5,这类物质的M与H反向.二.X0,X=0这类物质称为顺磁性物质,M与H同向,X约为10-3~10-5.三.X=0,这类物质称为铁磁性物质,它们的磁性称为铁磁性.Fe,Co,Ni及它们的合金,Cr和Mn的一些合金都是铁磁性物质,它们的磁化率为10~105.铁磁性物质当温度升高到一定就会转化为顺磁性物质,该温度点叫居里温度点.4.物质磁性的来源4.9自发磁化铁磁性物质在很弱的磁场下(0.01奥斯特)就能磁化到接近饱和这一事实证明:这些物质内部的原子子磁矩在没有外磁场时就已经以某种方式排列起来了,也就是说已经达到一定的磁化程度,这称为自发磁化.为什么铁磁性物质非要经外磁场磁化才显宏观磁性呢?原子来,铁磁性物质的自发磁化是在个小小的区域内产生的,在每个小区域内,原子磁矩按同一种方向排列,这些小区域称为磁畴每个磁畴的大小约10-15m3,每个原子大小约10-30m3,所以一个磁畴大约有1015个原子各个磁畴内的自发磁化取向都各不相同,总的效果相互抵消,困此对外不显磁性.4.物质磁性的来源什么原因使得磁畴内的原子磁矩平行排列呢?理论研究表明,当两个原子的电子云发生重叠时,它们的电子可交换的位置,产生一种静电相互作用.在某种性况下,两个电子的自旋磁矩互相平行时,它们之间的交换作用能最低,也是最稳定状态.所以,在铁磁性物质内这种交换作用的效果就好象有一个很强的磁场作用于原子的磁矩上,迫使它们同一方向平行排列,从而发生自发磁化.在另一种情况下,两个电子自旋反平行排列时,它们之间的交换作用能最低,在这种物质内部,原子磁