1、物質(zhì)磁性的來源,物質(zhì)磁性的來源,1.基本磁現(xiàn)象. 2.電與磁的關(guān)系. 3.物質(zhì)原子結(jié)構(gòu). 4.物質(zhì)磁性的來源.,1.基本磁現(xiàn)象.,一.自然界存在的磁現(xiàn)象,我們的地球本身就是個(gè)大磁體,1.基本磁現(xiàn)象.,阻擋太陽高能粒子(太陽風(fēng))是地球磁場其中作用之一 有效地保護(hù)地球生物免受傷害,1.基本磁現(xiàn)象.,中國古代四大發(fā)明之一司南(指南針) 但多數(shù)時(shí)候被用來看風(fēng)水(羅盤),1.基本磁現(xiàn)象.,A.磁極,B.磁作用,C.磁力線,2.電與磁的關(guān)系.,通電線圈有磁場產(chǎn)生,直流導(dǎo)線周圍有磁場,閃電可令指南針偏轉(zhuǎn),2.1電與磁的關(guān)系,2.電與磁的關(guān)系.,2.2磁與電的關(guān)系,磁感應(yīng)現(xiàn)象,2.電與磁的關(guān)系.,2.3事實(shí)上

2、，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、磁生電。,那么一些在宏觀上顯磁性的物質(zhì)是否存在著電流呢?,3.物質(zhì)原子結(jié)構(gòu).,3.1原子結(jié)構(gòu)圖,3.物質(zhì)原子結(jié)構(gòu).,3.2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(gè)原理 A.泡利不相容原理:同一系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的費(fèi)米子具有完全相同的量子態(tài) 就是說在原子中不能有兩個(gè)電子處于同一狀態(tài)上,原子中的電子都處于不同的狀態(tài). B.能量最小原理電子在原子軌道上分布，要盡可能使整個(gè)原子系統(tǒng)能量最低。 因?yàn)樵幽芰孔畹蜁r(shí)它最穩(wěn)定,所以電子在填充進(jìn)原子時(shí)總是先填充能量低的,再填充能量高,不能所有電子都填在能量低級(jí)上.,3.3原子核

3、外電子的排布規(guī)律,由內(nèi)到外，能量逐漸升高,A.電子按能量高低在核外分層排布 B.電子總是盡先排布在能量最低的電子層里。 C.每個(gè)電子層最多只能排布2n2個(gè)電子。 D.K層為最外層時(shí)，最多只能容納2個(gè)電子。 E.其它各層為最外層時(shí)，最多只能容納8個(gè)電子。 F.次外層最多不超過18個(gè)電子。,3.4多電子原子的核外電子狀態(tài),多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仍用四個(gè)量子數(shù)(n , l , m , ms)描寫,主量子數(shù) 電子的能量En,l主要由 n 決定，一般情況下n 較高的狀態(tài)，能量也較高,2. 副量子數(shù),決定電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量,亦影響電子能量,原子序數(shù)56的多電子原子的能級(jí)高低可用經(jīng)驗(yàn)公式：, 大的能

4、級(jí)高,3.4多電子原子的核外電子狀態(tài),3. 磁量子數(shù),決定電子繞核運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量的空間取向,4. 自旋量子數(shù),決定電子自旋角動(dòng)量的空間取向,電子繞核運(yùn)動(dòng)形成磁矩,軌道磁矩為:,自旋磁矩為:,3.4多電子原子的核外電子狀態(tài),總磁矩為:,原子處在磁場中,磁場對(duì)原子的相互作用能為:,當(dāng)外加磁場時(shí)，電子角動(dòng)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(jí)Enl的分裂塞曼效應(yīng),未分裂時(shí)的能級(jí)Enl稱為簡并能級(jí),3.4多電子原子的核外電子狀態(tài),3.5原子核外電子的運(yùn)動(dòng),電子運(yùn)動(dòng)：軌道運(yùn)動(dòng)+自旋運(yùn)動(dòng),A.電子的運(yùn)動(dòng)以接近(0.95倍)光速繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生軌道磁矩. B.電子本身是有自旋的

5、從而產(chǎn)生電子自旋磁矩 C.分子的磁矩就是電子軌道磁矩以及電子和核的自旋磁矩構(gòu)成的，磁介質(zhì)的磁化就是外磁場對(duì)分子磁矩作用的結(jié)果。,3.6磁矩簡述,描述載流線圈或微觀粒子磁性的物理量。平面載流線圈的磁矩定義為 m=iSn式中i電流強(qiáng)度；S為線圈面積；n為與電 流方向成右手螺旋關(guān)系的單位矢量。在均勻外磁場中，平面載流線圈不受力而受力矩，該力矩使線圈的磁矩m轉(zhuǎn)向外磁場B的方向；在均勻徑向分布外磁場中，平面載流線圈受力矩偏轉(zhuǎn)。許多電機(jī)和電學(xué)儀表的工作原理即基于此。 在原子中，電子因繞原子核運(yùn)動(dòng)而具有軌道磁矩；電子還因自旋具有自旋磁矩；原子核、質(zhì)子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。這些對(duì)研究原

6、子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，磁場中的塞曼效應(yīng)以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。,4.物質(zhì)磁性的來源,A.物質(zhì)的磁性來源于原子的磁性,原子具有磁矩.由于原子的結(jié)構(gòu)不同所以各種原子的磁矩不同,有的可能為零. B.原子的磁矩來源于電子(原子核的磁矩很少可以忽略) C.電子的磁矩又分為軌道磁矩和自旋磁矩兩部分, 有時(shí)也用磁偶極矩來表示磁性的強(qiáng)弱(它和磁矩具有相同的物理意義,數(shù)值上只差一個(gè)比例常數(shù)(真空磁導(dǎo)率0410-7韋伯（安培米）),原子的磁偶極矩原與原子磁矩m原之間的關(guān)系為: 原= 0 m原,4.2電子的軌道磁矩 電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于有電流的閉合回路,它產(chǎn)生一個(gè)磁偶極矩.

7、由于軌道平面有不同的方向,在有外磁場的的情況下,電子軌道磁偶極矩在磁場方向上的分量為: lz=m1B 式中:m1為磁量子數(shù) B=(0e/2m)h/2=1.16510-29(韋伯米),稱為玻爾磁子,是磁 偶極矩的最小單位,其中:e和m分別是電子的電量與質(zhì)量. 在填滿了電子的次殼層中,各電子的軌道分別占據(jù)了所有可能的方向,所以軌道磁偶極矩相互抵消,于是在計(jì)算原子的總軌道磁矩時(shí),只需在考慮未填滿的那些次殼層上的電子.,4.物質(zhì)磁性的來源,4.3電子的自旋磁矩. 電子具有自旋,所以也就有一個(gè)自旋磁偶極矩. 實(shí)驗(yàn)測得的自旋磁偶極矩在外磁場方向是分量等于一個(gè)玻爾磁子B取正反向,所以S=B 電子自旋磁偶極矩

8、S與自旋角動(dòng)量Ps關(guān)系為 S=-S Ps 式中S=0e/m,稱為自旋磁化. 計(jì)算原子的總磁偶極矩時(shí),也只需考慮未填滿的次殼層中的電子.,4.物質(zhì)磁性的來源,4.4鐵磁物質(zhì)中的原子磁矩和離子磁矩 在Fe,Co,Ni這類鐵磁物質(zhì)的晶體中,由于原子子(或離子)的有規(guī)則排列,造成空間周期變化的靜電場,它對(duì)原子的軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的影響,使電子無能無力的軌道平面搖晃不定. 所以電子的軌道角動(dòng)量或者它在某一方向上的分量不能穩(wěn)定的值,因而軌道角動(dòng)量平均起來可能為零,不能產(chǎn)生軌道磁矩,對(duì)外不表現(xiàn)磁性,這和情況我們稱為:軌道磁凍結(jié). 因此在晶體中,原子的軌道磁矩對(duì)原子的總磁矩沒有貢獻(xiàn),在這種情況下:原子的磁矩只能

9、來源于未填滿殼層中電子的未被抵消的自旋磁距.,4.物質(zhì)磁性的來源,4.5如何計(jì)算未抵消的自旋磁矩?cái)?shù): 例1:Fe原子 鐵原子的基態(tài) A. 鐵原子有26個(gè)電子,它們在各殼層的填充方式(組態(tài))為1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d6,4s2 其中未填滿的次殼層是d層,. B. d層5個(gè)不同方向的軌道,每個(gè)軌道上可容納自旋一正一反兩個(gè)電子,所以d可以容納10個(gè)電子,而現(xiàn)在只填了6個(gè)電子,而在填充時(shí),先在5個(gè)軌道上分別填上一個(gè)電子,它們的自自旋磁矩是互相平行(主樣能量最低)然后再填充其余的電子,其自旋方向與先填的5個(gè)電子相反,所以鐵原子3d層上的6個(gè)電子應(yīng)該是這樣分布的 C. 因?yàn)槊總€(gè)電子的自

10、旋磁偶極矩的在外樣場方向上的分量是一個(gè)玻 爾磁子,所以未被抵消的自旋磁偶極矩應(yīng)該是 Sz= 5B-1B =4B,4.物質(zhì)磁性的來源,例2:Fe3+ Fe3+的基態(tài) Fe3+有23個(gè)電子,組態(tài)是1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d5不滿也是3d層,按照上述的填充方式3d層的5個(gè)電子應(yīng)該是這樣分布的 結(jié)果未抵消的自旋磁偶極矩是 Sz= 5B,4.物質(zhì)磁性的來源,4.6一些金屬離子的磁矩,4.物質(zhì)磁性的來源,4.7鐵族元素磁性簡述 鐵族元素的磁性最強(qiáng),這些過渡族金屬元素的磁行為特點(diǎn)是d殼層上的磁性電子對(duì)磁矩作用貢獻(xiàn),但d南殼層上的電子受外界環(huán)境影響大,存在軌道角動(dòng)量”凍結(jié)”現(xiàn)象,按 式中:J

11、原子總角量子數(shù); gj 蘭德因子,可由實(shí)驗(yàn)精確測定, gj=1時(shí)原子磁矩由自旋磁 矩貢獻(xiàn), gj=2時(shí) 原子磁矩由軌道磁矩貢獻(xiàn), gj在12之間時(shí)兩者共同貢獻(xiàn); 計(jì)算的離子磁矩要比實(shí)驗(yàn)值大,這是因?yàn)樯鲜绞菍?duì)原子自由狀態(tài)下獲得的,即j不受周圍其它原子的相互作用時(shí),由原子自身的總角動(dòng)量矩所產(chǎn)生的磁矩.而實(shí)際測得的磁矩,并不是單個(gè)自由原子或離子子的磁矩. 例如,鐵原子它的組態(tài)是: 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d6,4s2 ,其基態(tài)量子數(shù)有S=2,L=2,J=4,g=3/2,由上式計(jì)算出磁矩應(yīng)是6.7B.但實(shí)測得鐵原子磁矩是2.22B,兩者相差甚大.,4.物質(zhì)磁性的來源,從上表可以看出,

12、鐵金屬離子的磁矩的實(shí)驗(yàn)值,只與式 ( 注:S為總自旋量子數(shù))計(jì)算很接近,而與式 計(jì)算相差很大.這說明鐵族元素的離子磁矩主要由電子的自旋作貢獻(xiàn),而電子磁矩很小甚至于不作貢獻(xiàn).這可以由軌道角動(dòng)量”凍結(jié)”的理論來解釋. 當(dāng)軌道角動(dòng)量不作用時(shí)就出現(xiàn)總量子數(shù)J近似等于自旋量子數(shù)S,這時(shí)只有自旋磁矩對(duì)晶體的離子磁矩作貢獻(xiàn).,4.物質(zhì)磁性的來源,4.8物質(zhì)的宏觀磁性 描述物質(zhì)的磁性,我們用單位體積內(nèi)的總磁偶極矩或總磁矩來表示:J=0M 式中:J是單位體積內(nèi)的總總磁偶極矩,稱為磁極化強(qiáng)度 M是單位體積內(nèi)的總磁矩,稱為磁化強(qiáng)度 0是真空磁導(dǎo)率. 把物體放在磁場中,物體就被磁化了,其磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系為

13、M=XH 式中X稱為物質(zhì)的磁化率(有些稱為相對(duì)磁化率, 而把0 X=J/M稱為磁化率),4.物質(zhì)磁性的來源,4.物質(zhì)磁性的來源,按X的大小可把物質(zhì)分為三類: 一.X0, X=0,這類物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì),它們的磁性稱為鐵磁性. Fe,Co,Ni及它們的合金,Cr和Mn的一些合金都是鐵磁性物質(zhì),它們的磁化率為10105 . 鐵磁性物質(zhì)當(dāng)溫度升高到一定就會(huì)轉(zhuǎn)化為順磁性物質(zhì),該溫度點(diǎn)叫居里溫度點(diǎn).,4.物質(zhì)磁性的來源,4.9自發(fā)磁化 鐵磁性物質(zhì)在很弱的磁場下(0.01奧斯特)就能磁化到接近飽和這一事實(shí)證明:這些物質(zhì)內(nèi)部的原子子磁矩在沒有外磁場時(shí)就已經(jīng)以某種方式排列起來了,也就是說已經(jīng)達(dá)到一定的磁化程度

14、,這稱為自發(fā)磁化. 為什么鐵磁性物質(zhì)非要經(jīng)外磁場磁化才顯宏觀磁性呢? 原子來,鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化是在個(gè)小小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的,在每個(gè)小區(qū)域內(nèi),原子磁矩按同一種方向排列,這些小區(qū)域稱為磁疇 每個(gè)磁疇的大小約10-15m3,每個(gè)原子大小約10-30m3,所以一個(gè)磁疇大約有1015個(gè)原子 各個(gè)磁疇內(nèi)的自發(fā)磁化取向都各不相同,總的效果相互抵消,困此對(duì)外不顯磁性.,4.物質(zhì)磁性的來源,什么原因使得磁疇內(nèi)的原子磁矩平行排列呢? 理論研究表明,當(dāng)兩個(gè)原子的電子云發(fā)生重疊時(shí),它們的電子可交換的位置,產(chǎn)生一種靜電相互作用. 在某種性況下,兩個(gè)電子的自旋磁矩互相平行時(shí),它們之間的交換作用能最低,也是最穩(wěn)定狀態(tài). 所

15、以,在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)這種交換作用的效果就好象有一個(gè)很強(qiáng)的磁場作用于原子的磁矩上,迫使它們同一方向平行排列,從而發(fā)生自發(fā)磁化. 在另一種情況下,兩個(gè)電子自旋反平行排列時(shí),它們之間的交換作用能最低,在這種物質(zhì)內(nèi)部,原子磁矩都反平行排列,物質(zhì)呈反磁性.,4.物質(zhì)磁性的來源,4.10鐵磁性與溫度 隨著濁度的長高,飽和磁化強(qiáng)度MS逐漸減小,到一定溫度時(shí)MS下降為零,這個(gè)溫度就是居里溫度,用TC表示. 在溫度較低時(shí)熱運(yùn)動(dòng)對(duì)原子的磁矩平行排列的破壞作用較小,這時(shí),交換作用起主要作用,因而物質(zhì)內(nèi)有自發(fā)磁化,呈鐵磁性. 當(dāng)溫度高于某一溫時(shí),熱運(yùn)動(dòng)的能量已大到足以對(duì)搞交換作用,打亂了原子的磁矩的平行排列,物質(zhì)失去磁性,而呈順磁性.這個(gè)就是鐵磁性物質(zhì)從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘臏囟冉芯永餃囟?,4.物質(zhì)磁性的來源,4.11鐵氧體的磁性 鐵氧體內(nèi)部