磁性材料与器件第二章物质的磁性来源及分类.pptx

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1、磁性材料与器件第二章物质的磁性来源及分类2原子核外电子排布规律多电子原子中,电子排布得准则有两条:泡利不相容原理和能量最低原理 大体可以归纳为:由n、l、ml和ms四个量子数确定以后,电子所处得位置随之而定。这四个量子数都相同得电子最多只能有一个 n、l和ml三个量子数都相同得电子最多只能有两个,ms只能为1/2 n、l两个量子数相同得电子最多只有2(2l1)个,ml从-l到+l共有(2l1)个可取值 主量子数相同得电子最多只有2n2个,对于确定得n值,l可取l0,1,2,(n1)共n个可能值 满电子壳层得总动量和总磁矩都为零。未填满电子得壳层上才有未成对得电子磁矩对原子得总磁矩作出贡献。这种

2、未满壳层称为磁性电子壳层。(n=3)主量子数相同得主量子数相同得电子数最多电子数最多:lmsmln主量子数 n 代表主壳层,轨道量子数 l 代表次壳层,能量相同得电子可以视为分布在同一壳层上。l 大多数原子基态得电子组态可以按此规律给出。少数元素有些变化,如:Cu:3d10,4s1Cr:3d5,4s1见见结构与物性结构与物性p15基态原子得电子在原子轨道中填充得顺序就是:1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d5n123主壳层符号KLMl001012次壳层符号sspspdml00101010121012ms状态数或最多电子数22

3、62610818n4主壳层符号Nl0123次壳层符号spdfml0101210123210123ms状态数或最多电子数26101432表1电子壳层划分及状态数续表6原子核+26K (n=1)L (n=2)M (n=3)N (n=4)1s12p62s23p63s23d64s2Fe得电子壳层和电子轨道7电子轨道磁矩ivm=iSre2lepmr电子轨道运动产生得轨道磁矩和动量矩方向相反22()22leeiSrr 2lepmr2lleepm 81-1ml0ml01-12-2ml03-3l=1l=2l=321-1-2(1)l l(1)l l(1)l l 引入量子力学方法:(1)lpl l(l0,1,2,

4、n1 2hh为普朗克常数,h6、62561034JS)(1)lBl l2Beem（=9.27301024Am2，称为波尔磁子)9因为 jl=0l,同理会得出:02Beem=1.166010-29Wbm在SI单位之中采用 的定义。02Beem10电子自旋磁矩sBH 1sps sS1/2，pS=(3/2)自旋在磁场方向得分量12ssHpm(ms只可能等于1/2)实验表明:()()sHsHeepm sseepm 2(1)sBs s（S1/2，）3SB122lleepm sseepm 则电子得总磁矩可以写成:()2eegppm 其中，g称为磁力比因子。当完全来源于轨道运动时，g=1；全部来源于自旋时，

5、g=2；两者同时做贡献时，1g2。称为磁力比13原子磁矩解决轨道和自旋磁矩耦合得问题原子中角动量耦合方式有两种:j-j耦合各处电子的s和l合成j，然后再由各电子的j合成原子的总角量子数J Z82 L-S耦合低原子序数(1)JLSPPPJ JJLSl2s2s1l1铁磁性物质都属于L-S耦合142lleepm sseepm 轨道和自旋磁矩合成原子总磁矩PJPLPSLSJL-S15通过量子力学处理以后，得到(1)JJBgJ J(1)(1)(1)12(1)JJ JS SL LgJ J 其中，当L0时,JS,得g2,原子总磁矩都就是由自旋磁矩贡献得。当S0时,JL,得g1,原子总磁矩都就是由轨道磁矩贡献

6、得。两种特殊情况:铁磁性物质得磁矩主要就是由自旋贡献(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,1.Fe 原子:Z=26,电子分布就是:3d6 根据洪德法则1,5个电子自旋占据5个 得 ms 状态,另一个只能占据 得 ms 状态,所以总自旋:12121151222S 210(1)(2)224lLmJLS (根据法则 2)(根据法则 3,电子数超过一半)3(1)(1)1.522(1)(1)6.7JJjBBS SL LgJ JgJ J2(1)4.9SBBS S45D

7、2、Cr+3 离子:Cr 原子 Z=24,Cr+3 电子组态为 3d3133222103320.4JSLJLSg(1)0.7746JJBBgJ J电子数不到半满,2(1)3.87SBBS S与实验值相比,更接近,这就是因为受到晶场作用,轨道角动量被冻结得缘故,只有自旋磁矩起作用。S(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,2/34F182、2 物质得抗磁性电磁感应普遍存在由于电磁感应磁场中运动电子轨道发生变化，产生抗磁性：普遍存在；值很小，通常被掩盖19拉莫进动

8、002llledpHdtepHm 由动量矩原理有,llyllxlxlylzpp H pp Hpo 对时间的一次微分为l0He轨道面投影lp进动方向电子拉莫进动202202200220002llxlxllylyLlLlxlxLlylylxlyLlelpHppHpHppppppeHHmp 对时间的二次微分为令为拉莫频率于是 由此可见，和在x-o-y平面以角频率绕磁场方向转动，即动量 绕磁场进动，这就是拉莫进动。21220022200,H4lleLllleppmpjeHm 拉莫进动，使电子的轨道动量矩改变了为轨道半径在垂直于的平面上的投影的均方值。则，相应于的磁偶极矩为拉莫进动使电子获得一个附加角动

9、量和相关的磁矩。这磁矩与外场反向，是一种抗磁效应。22朗之万理论得主要内容:原子磁矩之间无相互作用,为自由磁矩,热平衡态下为无规则分布;受外加磁场作用后,原子磁矩得角度分布发生变化,沿着接近于外磁场方向作择优分布,因而引起顺磁磁化强度。23经过简单得计算得到:01JBJcthHk TMNL 朗之万函数：L 强度 磁化为：24 2001133(2)11JJBpJeeeeNMNLHk TCTcthMNM 讨论朗之万函数的两种情况：(1)高温时 ，cth顺磁磁化率为:低温时，0.20.61.0135700MM朗之万函数曲线25郎之万函数得修正布里渊函数考虑到原子磁矩在空间得量子化,有:JJJBHm

10、g按照波尔兹曼统计原理,原子磁矩处于mJ态能级得几率正比于exp(-mJx),其中x=0gJB/kBT,那么沿磁场方向得平均磁矩为:exp()()exp()JJJZJmJZJBJJJmJm xg JBym x0/JBByxJg JH k T21211()coth()coth()2222JJJyByyJJJJBJ(y)称为布里渊函数26在弱场、高温条件下，y1，则22331(1)1()3903JJJJJByyyyJJJ220(1)/3JBBCTCNg J Jk得到：与经典理论相似在高磁场、低温条件下,y1,BJ(y)1,得到:M=N gJ JB=M0与经典理论相同27铁磁性物质得基本特征何谓铁磁

11、性所有原子磁矩都朝着一个方向排列,这种现象称为铁磁性 存在按磁畴分布得自发磁化 磁化率很大 磁化强度与磁化磁场之间不就是单值函数关系,显示磁滞现象 存在磁性转变温度居里温度,以TC表示 在磁化过程中,表现出磁晶各向异性、磁致伸缩和具有静磁能量等现象28铁磁性分子场理论分子场理论得两个重要假设:分子场假设磁畴假设铁磁性物质在一定温度范围内存在与外加磁场无关得自发磁化,导致自发磁化得某种作用力假设为铁磁性物质内存在着分子场自发磁化就是按区域分布得,各个自发磁化区域称为磁畴。在无外场时,磁畴都就是自发磁化到饱和,但磁化方向不同,宏观磁体总磁矩为零。29分子场能使区域磁矩取向一致,她到底有多大呢磁矩热

12、运动能kT磁矩的分子场能0mfJH 居里温度TC 时已知玻尔兹曼常数k=1、38051023JK-1,取TC=103K 估算出Hmf为109Am-1量级 磁矩之间的相互作用因此,分子场足以使磁矩趋于同向,形成自发磁化30外斯假定:分子场Hmf值与自发磁化强度MS成正比,即mfSHM称为外斯分子场系数,她就是与铁磁性物质得原子本性有关得参量31分子场大小为:HmfMS 外磁场H得作用下,作用在原子磁矩上得总磁场为(HMS)可直接应用顺磁性朗之万理论,得:0()SMM By0()/SBSyg SHMkT21211()cothcoth2222SSSyByySSSS0SBMNg S绝对饱和磁化强度铁磁

13、体原子磁矩被认为就是完全由自旋贡献,故S代替J32对上式稍作变换,得到:0()SMByM20000MNkTHyMMM 用图解法得到在一定得磁场和温度条件下得磁化强度330220H01,13/1,3SBsBsBSBPPBPTTySMNg SySyg SHMk TNg S SCMHCTCTTkCTTCf考虑的情况，此时，则将代入，并整居里外斯理得其中得出表定律达式：220C1T TT334优点：物理图像直观清晰，数学方法简单；很好的解释了自发磁化强度随温度的变化规律，得到了居里温度；分子场和磁畴被后来的理论和实验证实。缺点：没有指出分子场的本质，忽略了相互作用细节；处理低温和居里温度附近的磁行为时

14、出现偏差。分子场理论就是解释铁磁物质微观磁性得唯象理论35海森堡交换相互作用模型 交换作用模型认为,铁磁性自发磁化起源于电子间得静电交换相互作用,这种交换作用只发生在近邻原子之间。系统内部原子之间得自旋相互作用能为:2exijEAS S 近邻A为交换积分，Si和Sj为发生交换相互作用原子的自旋。原子处于基态时，系统最为稳定，要求Eex0。当A0时，（SiSj）0时，（SiSj）0，自旋平行为基态。反铁磁性铁磁性36居里温度由海森堡理论可以计算出居里温度:2(1)3CBZATS Sk铁磁体得居里温度正比于交换积分。居里温度得本质就是:居里温度就是铁磁体内部静电交换作用强弱在宏观上得表现,交换作用

15、愈强,自旋平行取向得能力愈大,要破坏这种作用,需要得热能也愈高,宏观上就表现出居里温度愈高。37海森堡理论得评价海森堡理论第一次正确得说明了自发磁化得本质,指出了分子场得性质和来源就是由于强烈得静电交换相互作用;优点:缺点:模型过于简单,很难用于定量计算实际物质+铁磁性假说:+(1)在铁磁性物体中存在着与外磁场无关得自发磁化强度,即分子场“Hm”,其在数值上等于技术饱和磁化强度MS;这种自发磁化强度得大小与物体所处得温度有关;对于每一种铁磁体都有一个完全确定得温度(居里点),在该温度以上物质完全失去铁磁性。+(2)为解决无外磁场时铁磁体得磁化强度为零与假设得矛盾,外斯又提出磁畴得概念;铁磁体得

16、自发磁化分成若干区域,称为磁畴,虽然一个磁畴内磁化方向相同,但由于各个磁畴得磁化方向不同,所以大块磁铁对外不显示磁性。38+在原子得电子壳层中存在没有被电子填满得状态就是产生顺磁性得必要条件,此条件同样适用于铁磁性得产生。例如铁、钴、镍得核外电子排布为3s2p6d6 4s2、3s2p6d7 4s2、3s2p6d8 4s2,因此可知其不满状态为3d状态,且分别有四个、三个和二个空位。如果使充填得电子自旋磁矩按同向排列起来,将得到较大磁矩,理论上其磁矩分别为4B,3B和2B。但并不就是所有满足此条件得都就是铁磁性材料。+量子力学认为,物质内部相邻原子得电子之间存在一种来源于静电得相互交换作用。正就是由于这种作用对系统能量得影响,迫使各原子得磁矩平行或反平行排列。39+系统得静电能还依赖于电子自旋得相对取向,因此,氢分子得能量E已不就是简单地等于两个原子基态能量之和+E0为原子处于基态时得能量,C就是由于电子之间、核与电子之间得库仑作用而增加得能量项,而A可以看做就是两个原子得电子交换位置而产生得相互作用能,称为交换能或交换积分,她与原子间电荷分布得重叠有关。由上式可看出,自旋平行时系统得能