磁性材料-第2章-磁性的起源教程文件.ppt

磁性材料 第2章 磁性的起源,一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生）,方法：先从波尔原子模型出发求得电子轨道磁矩，再引入量子力学的结果。,按波尔原子模型，以周期T沿圆作轨道运动的电子相当于一闭合圆形电流,i,其产生的电子轨道磁矩：,轨道动量矩,说明：电子轨道运动产生的磁矩与动量矩在,数值上成正比，方向相反,。,由量子力学知：动量矩应由角动量代替：,其中,l,0，1，2n-1，,l,0，即,s,态，,P,l,0，,l,0（特殊统计分布状态）,如有外场，则,P,l,在磁场方向分量为：,角量子数 l,0，1，2n-1 （n个取值）,磁量子数,m,l,0、,1、,2、,3,l,（2,l,+1个取值）,在填充满电子的次壳层中，各电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，形成一个球体，因此合成的总角动量等于零，所以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些次壳层中的电子这些壳层称为磁性电子壳层。,二、电子自旋磁矩,自旋,自旋磁矩,实验证明：电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一个,B,，取正或取负。,总自旋磁矩在外场方向的分量为：,计算原子总自旋角动量时，只考虑未填满次壳层中的电子。,电子总磁矩可写为：,第二节 原子磁矩,由上面的讨论可知，原子磁矩总是与电子的角动量联系的。,根据原子的矢量模型，原子总角动量P,J,是总轨道角动量P,L,与总自旋角动量P,S,的矢量和：,总角量子数：J=L+S,L+S-1,|L-S|。,原子总角动量在外场方向的分量：,总磁量子数：m,J,=J,J-1,-J,按原子矢量模型，角动量P,L,与P,S,绕P,J,进动。故,L,与,S,也绕P,J,进动。,L,与,S,在垂直于,P,J,方向的分量(,L,),与(,S,),在一个进动周期中平均值为零。,原子的有效磁矩等于,L,与,S,平行于P,J,的分量和，即：,P,S,P,L,P,J,L,S,J,L-S,注：1、兰德因子g,J,的物理意义：,当,L,=0时，,J,=S，,g,J,=2,均来源,于自旋运动。,当S=0时,J=L，g,J,=1，均来源于轨,道运动。,当1g,J,2，原子磁矩由轨道磁矩与自旋磁矩共同,贡献。,g,J,反映了在原子中轨道磁矩与自旋磁矩对总磁,矩贡献的大小。,由上面的讨论可知，,原子磁矩,总是与,电子的角动量,联系起来的。,根据原子的矢量模型，原子,总角动量,p,J,是总轨道角动量,p,L,与总自旋角动量,p,S,的矢量和：,原子总角动量在外场方向的分量：,总角量子数,J,：,J,=,L,+,S,L,+,S,-1,|,L,-,S,|,总磁量子数,m,J,：,m,J,=,J,J,-1,-,J,1、原子中电子,总角动量量子数,J,的确定：,角动量耦合定则,（1）、L-S耦合：,l,i,L,，s,i,S,JS+L,产生原因：不同电子之间的轨道-轨道耦合和自旋-自旋耦合较强，而同一电子内的轨道-自旋耦合较弱,主要存在于原子序数较小的原子中（Z82）,以原子的某一壳层包含两个电子为例说明,L-S,耦合,设两电子的轨道角动量量子数分别为,l,1,和,l,2,，自旋量子数分别为,s,1,和,s,2,，则总轨道角动量的量子数L和总自旋量子数S的可取值分别为：,L,=,l,1,+,l,2,l,1,+,l,2,-1,l,1,-,l,2,(设,l,1,l,2,),S,=,s,1,+,s,2,s,1,+,s,2,-1,s,1,-,s,2,(设s,1,s,2,),对于确定的,L,值，,P,L,和,L,的绝对值分别为：,对于确定的,S,值，,P,S,和,S,的绝对值分别为：,其中总角动量量子数,J,可以取以下数值：,J,=,L,+,S,L,+,S,-1,|,L,-,S,|（共2S(2L)+1个）,NOTE：由总角动量,P,J,并不能直接给出总磁矩,，因为原子的总磁矩的方向与其总角动量的方向并不重合,p,L,p,S,p,J,J,L-S,s,L,2、原子磁矩,J,在磁场中的取向也是量子化的;,原子磁矩的大小取决于原子总角量子数,J,原子总磁矩,J,在H方向的分量为：,原子总角动量在H方向的分量：,总磁量子数,m,J,：,m,J,=,J,J,-1,-,J,4、组成分子或宏观物体的原子的,平均磁矩一般不等于孤立原子的磁矩,。这说明原子组成物质后，原子之间的相互作用引起了磁矩的变化。因此计算宏观物质的原子磁矩时，必须考虑相互作用引起的变化（晶体场的影响）,一般按Hunds Rules计算出来的稀土离子的磁矩与实验值符合得较好，而铁族离子的磁矩则与实验值差别较大,3、原子中电子的结合大体分三类：,LS耦合：各电子的轨道运动间有较强的相互作用,l,i,L,，,s,i,S,J,S+L,发生与原子序数较小的原子中（Z82,LS+jj耦合：32Z,k,B,T,。,二、过渡族元素离子的顺磁性,3d（铁族）、4d（钯族）、5d（铂族）、6d（锕族）,1、结构特征：,过渡元素的磁性来源于d电子，且d电子受外界影响较大。）,2、有效玻尔磁子,即过渡族元素的离子磁矩主要由电子自旋作贡献，,而轨道角动量不作贡献，这是“轨道角动量猝灭”所致。,过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，因而不考虑L,孤立Fe原子的基态（6.7,B,)与大块铁中的铁原子(2.2,B,)磁矩不一样。,物质中：Fe,3,的基态磁矩为5,B,Mn,2,5,B,Cr,2,4,B,Ni,2,2,B,Co,2,3,B,Fe,2,4,B,（有几个未成对电子，就有几个,B,）,第四节 轨道角动量的冻结（晶体场效应）,晶体场理论是计算离子能级的一种有效方法，在物理、化学、矿物学、激光光谱学以及顺磁共振中有广泛应用。,晶体场理论的基本思想：,认为中心离子的电子波函数与周围离子（配位子）的电子波函数不相重叠，因而把组成晶体的离子分为两部分：基本部分是中心离子，将其磁性壳层的电子作量子化处理；非基本部分是周围配位离子，将其作为产生静电场的经典处理。配位子所产生的静电场等价为一个势场晶体场。,晶体中的晶体场效应,a、晶体场对磁性离子轨道的直接作用,引起能级分裂使简并度部分或完全解除，导致轨,道角动量的取向处于被冻结状态。,b、晶体场对磁性离子自旋角动量的间接作用。,通过轨道与自旋耦合来实现。常温下，晶体中自,旋是自由的，但轨道运动受晶体场控制，由于自,旋轨道耦合和晶体场作用的联合效应，导致单,离子的磁各向异性。,一、晶体场劈裂作用,考虑到晶体场与LS 耦合作用，晶体系统的哈密顿量为：,等式中间第一项为第,i,个电子的动能，第二项为电子势能，第三项为原子内电子的库仑相互作用，第四项为自旋轨道相互作用，第五项为中心离子与周围配离子产生的晶场间相互作用。,采用简并态微扰法可计算系统的微扰能量，为此，须求解方程：,弱晶场,与自由原子（离子）一样，满足洪特规则。,稀土金属及其离子,属于此,中等晶场,、,仍满足洪特规则，但晶体场,V,(r),首先对轨道能量产生影响，即能级分裂，简并部分或完全消除。,含3d电子组态的离子的盐类,属于此,强晶场,不满足洪特规则，导致低自旋态。,发生于,共价键晶体和4d,5d,6d等过渡族化合物,。,二、,轨道角动量的冻结,由于晶场劈裂作用，简并能级出现分裂，可能出现最低轨道能级单态，当单态是最低能量的轨道时，总轨道角动量绝对值 L,2,虽然保持不变，但是其分量,L,z,不再是运动常量。,当,L,z,的平均值为零，即 时，就称为轨道角动量的冻结。,一个态的磁矩是磁矩=(L,z,+2S,z,),，当,L,z,的平均值为零时，对于整个磁性，轨道磁矩不作贡献。,（单态,简并度为1（简并度由2,l,+1决定)简并度解除2,l,+1=1。所以,l,=0时为单态。）,离子的轨道角动量冻结程度取决于轨道简并度解除的程度。,第五节 合金的磁性,一、铁磁性合金,按其组成可分为三类：,1.由铁磁性金属组成，如：FeNi、FeCo。,任何成分下都有铁磁性。,2.由铁磁性金属与非铁磁性金属或非金属组成合金，如：FeSiAl、CoCr等。,在一定范围内有铁磁性。,由 非 磁 性 金属 组成 的 合金，如：MnCrAl、MnBi。,只在很窄的范围内由铁磁性。,铁磁性合金的磁性质与其各组元的磁性及合金相图有密切关系。其磁矩就来源于合金中可以自由游移于邻近各原子间的外层电子(与孤立原子的磁矩不同）,Slater-Pauling曲线 表征周期表上相邻的元素组成的合金平均磁矩与外层电子数的关系。,曲线的解释可用能带模型：在不同电子浓度的铁磁性合金中，电子补充或减少各能带中的电子分布，从而改变合金的磁性。,如：Fe：2,B,2.2,B,Co：1.1,B,1.7,B,Ni：0,B,0.6,B,其磁畴结构由交换作用的涨落决定。,稀土过渡金属合金,呈亚铁磁性或铁磁性，以薄膜形式应用。,磁结构为散亚铁磁性或散铁磁性，由各项异性涨落决定。,过渡金属过渡金属合金,有微弱的磁性,其磁结构也由交换作用的涨落决定。,二、非晶态磁性合金,分三类：,过渡金属类金属合金（TM）,由80%的Fe(Co、Ni)与Si、C、B、P（类金属）组成，有强铁磁性，以薄带形式应用。其磁矩主要来自于过渡金属，但磁矩随类金属元素含量增加而下降，所以比晶态过渡金属中相应的原子磁矩小。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,