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2-磁性起源与晶场中的原子磁矩

第二章 磁性起源与晶场中的原子磁矩 2.1 原子的磁矩 2.2 晶场中的原子磁矩 2.3 轨道角动量冻结 2.4 高自旋态与低自旋态 2.5 Jahn-Teller效应 2.1 原子的磁矩 A. 电子的轨道角动量和轨道磁矩 B. 电子的自旋角动量与自旋磁矩 C. 原子的电子结构 D. 电子壳层中的原子磁矩 原子的磁矩来源于原子中的电子及原子核,由于原子核的质量远大于电子,因此原子核的磁矩远小于电子的磁矩,故核磁矩在我们考虑的问题中可以忽略。电子的磁矩又分为轨道磁矩和自旋磁矩,原子的总磁矩是这两部分磁矩的和。 核磁矩: 质子质量是电子质量的1836.5倍,定义核磁子为: A. 电子的轨道角动量和轨道磁矩 根据量子力学的结论, 一个电子的轨道角动量为: 一个电子的轨道磁矩为: 为轨道量子数, 称为玻尔磁子 。 轨道角动量与轨道磁矩的关系为: 称为轨道旋磁比。 轨道角动量与轨道磁矩在空间是量子化的,设外磁场H平行于Z轴,则他们在Z轴方向的分量为: 为磁量子数,有(2l+1)个可能的取值。 C. 原子的电子结构 核外电子结构用四个量子数表征:n.l.m.s ( 多电子体系 ) 电子轨道大小由主量子数n决定 n=1, 2, 3, 4,………的轨道群 又称为K, L, M, N,…….的电子壳层 轨道的形状由角动量l决定 l=0, 1, 2, 3,……..n-1 又称为s, p, d, f, g,……..电子 当施加一个磁场在一个原子上时,平行于磁场的角动量也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数m决定 m=l, l-1, l-2,……0,…..-( l-1), -l 电子自旋量子数由s决定 s = 自旋-轨道耦合 自旋-轨道耦合的表达式 根据电磁学计算核电流产生的磁场(H) D. 电子壳层中的原子磁矩 在一个未填满的电子壳层中,电子的轨道和自旋磁矩如何形成一个原子的磁矩。 根据洪德法则: 总自旋角动量: S=∑si 总轨道角动量: L=∑li 合成矢量受自旋-轨道耦合作用的控制:w=λL·S 形成总角动量: J=L+S (J=L-S,小于半满,J=L+S,大于半满) 总角动量与磁矩的关系 轨道角动量与轨道磁矩: ML=-MBL 自旋角动量与自旋磁矩: MS=-2MBS 总角动量与总磁矩: MJ=ML+MS =-MB(L+2S) 由于L和S绕J 进动,矢量L+2S也绕J进动,它的大小在J上的投影MS: MS=-gMBJ 给出的磁矩称为饱和磁矩。 2.2 晶场中的原子磁矩 由来: 晶体场理论是计算离子能级的一种有效方法。 晶体场理论 单离子模型 磁晶各向异性计算 晶场理论的基本思想: 可以把组成晶体的离子分为两部分:基本部分是中心金属离子,将其外层未满壳层的电子作为量子体系处理;非基本部分是周围的配位子离子,将它们作为产生静电场的经典体系处理。配位子产生的静电场称为晶体场,其存在破坏了自由离子的球对称性,使离子的能级发生分裂,造成了铁磁晶体的磁晶各向异性。 晶体场理论: 当中心金属离子的电子波函数与周围离子的电子波函数不重叠时。 配位场理论: 中心金属离子的电子波函数与周围离子的电子波函数存在着某种程度的重叠时。 分子轨道理论: 当中心金属离子的电子波函数与其近邻离子的电子波函数存在严重重叠时。 晶场中电

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