物质的磁性来源及分类.ppt

*▼铁磁性分子场理论分子场理论的两个重要假设：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的自发磁化，导致自发磁化的某种作用力假设为铁磁性物质内存在着分子场自发磁化是按区域分布的，各个自发磁化区域称为磁畴。在无外场时，磁畴都是自发磁化到饱和，但磁化方向不同，宏观磁体总磁矩为零。第28页,共50页，星期六，2024年，5月*分子场能使区域磁矩取向一致，它到底有多大呢磁矩热运动能kT磁矩的分子场能居里温度TC时已知玻尔兹曼常数k=1.3805×10－23J?K-1，取TC=103K估算出Hmf为109A?m-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，形成自发磁化第29页,共50页，星期六，2024年，5月*外斯假定： 分子场Hmf值与自发磁化强度MS成正比，即?称为外斯分子场系数，它是与铁磁性物质的原子本性有关的参量第30页,共50页，星期六，2024年，5月*分子场大小为：Hmf＝?MS外磁场H的作用下，作用在原子磁矩上的总磁场为（H＋?MS）可直接应用顺磁性朗之万理论，得：绝对饱和磁化强度铁磁体原子磁矩被认为是完全由自旋贡献，故S代替J第31页,共50页，星期六，2024年，5月*对上式稍作变换，得到：用图解法得到在一定的磁场和温度条件下的磁化强度第32页,共50页，星期六，2024年，5月*第33页,共50页，星期六，2024年，5月*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出现偏差。分子场理论是解释铁磁物质微观磁性的唯象理论第34页,共50页，星期六，2024年，5月*▼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的静电交换相互作用，这种交换作用只发生在近邻原子之间。系统内部原子之间的自旋相互作用能为：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，（Si?Sj）0，自旋反平行为基态；当A0时，（Si?Sj）0，自旋平行为基态。反铁磁性铁磁性第35页,共50页，星期六，2024年，5月*居里温度由海森堡理论可以计算出居里温度：铁磁体的居里温度正比于交换积分。居里温度的本质是：居里温度是铁磁体内部静电交换作用强弱在宏观上的表现，交换作用愈强，自旋平行取向的能力愈大，要破坏这种作用，需要的热能也愈高，宏观上就表现出居里温度愈高。第36页,共50页，星期六，2024年，5月*海森堡理论的评价海森堡理论第一次正确的说明了自发磁化的本质，指出了分子场的性质和来源是由于强烈的静电交换相互作用；优点：缺点：模型过于简单，很难用于定量计算实际物质第37页,共50页，星期六，2024年，5月*铁磁性假说：（1）在铁磁性物体中存在着与外磁场无关的自发磁化强度，即分子场“Hm”，其在数值上等于技术饱和磁化强度MS；这种自发磁化强度的大小与物体所处的温度有关；对于每一种铁磁体都有一个完全确定的温度（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的磁化强度为零与假设的矛盾，外斯又提出磁畴的概念；铁磁体的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，但由于各个磁畴的磁化方向不同，所以大块磁铁对外不显示磁性。第38页,共50页，星期六，2024年，5月*在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生顺磁性的必要条件，此条件同样适用于铁磁性的产生。例如铁、钴、镍的核外电子排布为3s2p6d64s2、3s2p6d74s2、3s2p6d84s2，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。如果使充填的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4μB，3μB和2μB。但并不是所有满足此条件的都是铁磁性材料。量子力学认为，物质内部相邻原子的电子之间存在一种来源于静电的相互交换作用。正是由于这种作用对系统能量的影响，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列。第39页,共50页，星期六，2024年，5月*系统的静电能还依赖于电子自旋的相对取向，因此，氢分子的能量E已不是简单地等于两个原子基态能量之和E0为原子处于基态时的能量，C是由于电子之间、核与电子之间的库仑作用而增加的能量项，而A可以看做是两个原子的电子交换位置而产生的相互作用能，称为交换能或交换积分，它与原子间电荷分布的重叠有关。由上式可看出，自旋平行