磁性材料磁性的起源.pptx

磁性材料磁性的起源磁性材料磁性的起源第一第一节 电子得子得轨道磁矩与自旋磁矩道磁矩与自旋磁矩 物质得磁性来源于原子得磁性,研究原子磁性就是研究物质磁性得基础。原子得磁性来源于原子中电子及原子核得磁矩。原子核磁矩很小,在我们所考虑得问题中可以忽略。电子磁矩(轨道磁矩、自旋磁矩)原子得磁矩。即:电子轨道运动产生电子轨道磁矩电子自旋产生电子自旋磁矩构成原子的总磁矩物质磁性的起源一、电子轨道磁矩(由电子绕核得运动所产生)方法:先从波尔原子模型出发求得电子轨道磁矩,再引入量子力学得结果。按波尔原子模型,以周期T沿圆作轨道运动得电子相当于一闭合圆形电流i其产生得电子轨道磁矩:轨道动量矩说明:电子轨道运动产生得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l0,1,2n-1,l0,即s态,Pl0,l0(特殊统计分布状态)如有外场,则Pl在磁场方向分量为:角量子数 l0,1,2n-1 (n个取值)磁量子数 ml0、1、2、3 l (2l+1个取值)在填充满电子得次壳层中,各电子得轨道运动分别占了所有可能得方向,形成一个球体,因此合成得总角动量等于零,所以计算原子得轨道磁矩时,只考虑未填满得那些次壳层中得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。1.总自旋磁矩在外场方向得分量为:2.计算原子总自旋角动量时,只考虑未填满次壳层中得电子。3.电子总磁矩可写为:第二第二节 原子磁矩原子磁矩 由上面得讨论可知,原子磁矩总就是与电子得角动量联系得。根据原子得矢量模型,原子总角动量PJ就是总轨道角动量PL与总自旋角动量PS得矢量与:总角量子数:J=L+S,L+S-1,|L-S|。原子总角动量在外场方向得分量:总磁量子数:mJ=J,J-1,-J 按原子矢量模型,角动量PL与PS绕PJ 进动。故L与S也绕PJ进动。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静继续保持安静继续保持安静 L与S在垂直于PJ方向得分量(L)与(S)在一个进动周期中平均值为零。原子得有效磁矩等于L与S 平行于PJ得分量与,即:PSPLPJ LSJL-S注:1、兰德因子gJ得物理意义:当L=0时,J=S,gJ=2,均来源 于自旋运动。当S=0时,J=L,gJ=1,均来源于轨 道运动。当1gJ2,原子磁矩由轨道磁矩与自旋磁矩共同 贡献。gJ反映了在原子中轨道磁矩与自旋磁矩对总磁 矩贡献得大小。由上面得讨论可知由上面得讨论可知,原子磁矩总就是与电子得角动原子磁矩总就是与电子得角动量联系起来得。量联系起来得。根据原子得矢量模型根据原子得矢量模型,原子总角动量原子总角动量pJ就是总轨道就是总轨道角动量角动量pL与总自旋角动量与总自旋角动量pS得矢量与得矢量与:原子总角动量在外场方向得分量原子总角动量在外场方向得分量:总角量子数总角量子数J:J=L+S,L+S-1,|L-S|总磁量子数总磁量子数mJ:mJ=J,J-1,-J1、原子中电子总角动量量子数、原子中电子总角动量量子数J得确定得确定:角动量耦合定则角动量耦合定则(1)、L-S耦合耦合:li L,si S,JS+L产生原因产生原因:不同电子之间得轨道不同电子之间得轨道-轨道耦合与自旋轨道耦合与自旋-自旋耦自旋耦合较强合较强,而同一电子内得轨道而同一电子内得轨道-自旋耦合较弱自旋耦合较弱 主要存在于原子序数较小得原子中主要存在于原子序数较小得原子中(Z82)以原子得某一壳层包含两个电子为例说明以原子得某一壳层包含两个电子为例说明以原子得某一壳层包含两个电子为例说明以原子得某一壳层包含两个电子为例说明L-S L-S 耦合耦合耦合耦合 设两电子得轨道角动量量子数分别为设两电子得轨道角动量量子数分别为l1与与l2,自旋量子数自旋量子数分别为分别为s1与与s2,则总轨道角动量得量子数则总轨道角动量得量子数L与总自旋量子数与总自旋量子数S得得可取值分别为可取值分别为:L=l1+l2,l1+l2-1,l1-l2 (设设l1l2)S=s1+s2,s1+s2-1,s1-s2 (设设s1s2)对于确定得对于确定得L值值,PL与与 L得绝对得绝对值分别为值分别为:对于确定得对于确定得S值值,PS与与 S得绝对得绝对值分别为值分别为:其中总角动量量子数其中总角动量量子数J 可以取以下数值可以取以下数值:J=L+S,L+S-1,|L-S|(共共2S(2L)+1个个)NOTE:由总角动量由总角动量PJ并不能直并不能直接给出总磁矩接给出总磁矩,因为原子得总因为原子得总磁矩得方向与其总角动量得方磁矩得方向与其总角动量得方向并不重合向并不重合pLpSpJ J L-S s L2、原子磁矩、原子磁矩 J 在磁场中得取向也就是量子化得在磁场中得取向也就是量子化得;原子磁矩得大小取决于原子原子磁矩得大小取决于原子总角量子数角量子数J原子总磁矩原子总磁矩 J在在H方向得分量为方向得分量为:原子总角动量在原子总角动量在H方向得分量方向得分量:总磁量子数总磁量子数mJ:mJ=J,J-1,-J 4、组成分子或宏观物体得原子得平均磁矩一般不等于孤立、组成分子或宏观物体得原子得平均磁矩一般不等于孤立原子得磁矩。这说明原子组成物质后原子得磁矩。这说明原子组成物质后,原子之间得相互作用引原子之间得相互作用引起了磁矩得变化。因此计算宏观物质得原子磁矩时起了磁矩得变化。因此计算宏观物质得原子磁矩时,必须考虑必须考虑相互作用引起得变化相互作用引起得变化(晶体场得影响晶体场得影响)一般按一般按Hunds Rules计算出来得稀土离子得磁矩与实验值计算出来得稀土离子得磁矩与实验值符合得较好符合得较好,而铁族离子得磁矩则与实验值差别较大而铁族离子得磁矩则与实验值差别较大3、原子中电子得结合大体分三类、原子中电子得结合大体分三类:a)LS耦合耦合:各电子得轨道运动间有较强得相互作用各电子得轨道运动间有较强得相互作用li L,si S,JS+L 发生与原子序数较小得原子中发生与原子序数较小得原子中(Z82LS+jj耦合耦合:32ZkBT。二、过渡族元素离子得顺磁性二、过渡族元素离子得顺磁性 3d(铁族铁族)、4d(钯族钯族)、5d(铂族铂族)、6d(锕族锕族)1、结构特征、结构特征:过渡元素得磁性来源于过渡元素得磁性来源于d电子电子,且且d电子受外界影响电子受外界影响较大。较大。)2、有效玻尔磁子、有效玻尔磁子 即过渡族元素得离子磁矩主要由电子自旋作贡献即过渡族元素得离子磁矩主要由电子自旋作贡献,而轨道角动量不作贡献而轨道角动量不作贡献,这就是这就是“轨道角动量猝灭轨道角动量猝灭”所致。所致。过渡元素得原子或离子组成物质时过渡元素得原子或离子组成物质时,轨道角动量冻结轨道角动量冻结,因而不考虑因而不考虑L 孤立孤立Fe原子得基态原子得基态(6、7 B)与大块铁中得铁原子与大块铁中得铁原子(2、2 B)磁矩不一样。磁矩不一样。物质中物质中:Fe3得基态磁矩为得基态磁矩为5 B Mn2 5 B Cr2 4B Ni2 2 B Co2 3 B Fe2 4 B (有几个未成对电子有几个未成对电子,就有几个就有几个B)第四第四节 轨道角道角动量得量得冻结(晶体晶体场效效应)晶体场理论就是计算离子能级得一种有效方法晶体场理论就是计算离子能级得一种有效方法,在在物理、化学、矿物学、激光光谱学以及顺磁共振中有物理、化学、矿物学、激光光谱学以及顺磁共振中有广泛应用。广泛应用。晶体场理论得基本思想晶体场理论得基本思想:认为中心离子得电子波函数与周围离子认为中心离子得电子波函数与周围离子(配位子配位子)得电子波函数不相重叠得电子波函数不相重叠,因而把组成晶体得离子分为两因而把组成晶体得离子分为两部分部分:基本部分就是中心离子基本部分就是中心离子,将其磁性壳层得电子作将其磁性壳层得电子作量子化处理量子化处理;非基本部分就是周围配位离子非基本部分就是周围配位离子,将其作为将其作为产生静电场得经典处理。配位子所产生得静电场等价产生静电场得经典处理。配位子所产生得静电场等价为一个势场为一个势场晶体场。晶体场。晶体中得晶体场效应晶体中得晶体场效应 a、晶体场对磁性离子轨道得直接作用、晶体场对磁性离子轨道得直接作用 引起能级分裂使简并度部分或完全解除引起能级分裂使简并度部分或完全解除,导致轨导致轨 道角动量得取向处于被冻结状态。道角动量得取向处于被冻结状态。b、晶体场对磁性离子自旋角动量得间接作用。、晶体场对磁性离子自旋角动量得间接作用。通过轨道与自旋耦合来实现。常温下通过轨道与自旋耦合来实现。常温下,晶体中自晶体中自 旋就是自由得旋就是自由得,但轨道运动受晶体场控制但轨道运动受晶体场控制,由于自由于自 旋轨道耦合与晶体场作用得联合效应旋轨道耦合与晶体场作用得联合效应,导致单导致单 离子得磁各向异性。离子得磁各向异性。一、晶体场劈裂作用一、晶体场劈裂作用 考虑到晶体场与考虑到晶体场与LS 耦合作用耦合作用,晶体系统得哈密顿晶体系统得哈密顿量为量为:等式中间第一项为第等式中间第一项为第i个电子得动能个电子得动能,第二项为电子第二项为电子势能势能,第三项为原子内电子得库仑相互作用第三项为原子内电子得库仑相互作用,第四项为自第四项为自旋轨道相互作用旋轨道相互作用,第五项为中心离子与周围配离子产第五项为中心离子与周围配离子产生得晶场间相互作用。生得晶场间相互作用。采用简并态微扰法可计算系统得微扰能量采用简并态微扰法可计算系统得微扰能量,为此为此,须求解方程须求解方程:1.弱晶场弱晶场 与自由原子与自由原子(离子离子)一样一样,满足洪特规则。满足洪特规则。稀土金属及其离子属于此稀土金属及其离子属于此2.中等晶场中等晶场、仍满足洪特规则仍满足洪特规则,但晶体场但晶体场V(r)首先对轨道能量产首先对轨道能量产生影响生影响,即能级分裂即能级分裂,简并部分或完全消除。简并部分或完全消除。含含3d电子组态得离子得盐类属于此电子组态得离子得盐类属于此3.强晶场强晶场 不满足洪特规则不满足洪特规则,导致低自旋态。导致低自旋态。发生于共价键晶体与发生于共价键晶体与4d,5d,6d等过渡族化合物。等过渡族化合物。二、轨道角动量得冻结二、轨道角动量得冻结 由于晶场劈裂作用由于晶场劈裂作用,简并能级出现分裂简并能级出现分裂,可能出现最可能出现最低轨道能级单态低轨道能级单态,当单态就是最低能量得轨道时当单态就是最低能量得轨道时,总轨道总轨道角动量绝对值角动量绝对值 L2虽然保持不变虽然保持不变,但就是其分量但就是其分量Lz不再就不再就是运动常量。是运动常量。当当Lz得平均值为零得平均值为零,即即 时时,就称为就称为轨道角动量得冻结。轨道角动量得冻结。一个态得磁矩就是磁矩一个态得磁矩就是磁矩=(Lz+2Sz),当当Lz得平均值得平均值为零时为零时,对于整个磁性对于整个磁性,轨道磁矩不作贡献。轨道磁矩不作贡献。(单态单态简并度为简并度为1(简并度由简并度由2l+1决定决定)简并简并度解除度解除2l+1=1。所以。所以l=0时为单态。时为单态。)离子得轨道角动量冻结程度取决于轨道简并度解除离子得轨道角动量冻结程度取决于轨道简并度解除得程度。得程度。第五第五节 合金得磁性合金得磁性一、铁磁性合金一、铁磁性合金 按其组成可分为三类按其组成可分为三类:1、由铁磁性金属组成由铁磁性金属组成,如如:FeNi、FeCo。任何成分下都有铁磁性。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由铁磁性金属与非铁磁性金属或非金属组成合金,如如:FeSiAl、CoCr等。等。在一定范围内有铁磁性。在一定范围内有铁磁性。3.由由 非非 磁磁 性性 金属金属 组成组成 得得 合金合金,如如:MnCrAl、MnBi。只在很窄得范围内由铁磁性。只在很窄得范围内由铁磁性。铁磁性合金得磁性质与其各组元得磁性及合金相铁磁性合金得磁性质与其各组元得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得外层电子于邻近各原子间得外层电子(与孤立原子得磁矩不同与孤立原子得磁矩不同)Slater-Pauling曲线曲线 表征周期表上相邻得元素组成表征周期表上相邻得元素组成得合金平均磁矩与外层电子数得关系。得合金平均磁矩与外层电子数得关系。曲线得解释可用能带模型曲线得解释可用能带模型:在不同电子浓度得铁磁在不同电子浓度得铁磁性合金中性合金中,电子补充或减少各能带中得电子分布电子补充或减少各能带中得电子分布,从而从而改变合金得磁性。改变合金得磁性。如如:Fe:2 B2、2B Co:1、1 B1、7 B Ni:0 B0、6 B其磁畴结构由交换作用得涨落决定。其磁畴结构由交换作用得涨落决定。2.稀土过渡金属合金稀土过渡金属合金 呈亚铁磁性或铁磁性呈亚铁磁性或铁磁性,以薄膜形式应用。以薄膜形式应用。磁结构为散亚铁磁性或散铁磁性磁结构为散亚铁磁性或散铁磁性,由各项异性由各项异性涨落决定。涨落决定。3.过渡金属过渡金属合金过渡金属过渡金属合金 有微弱得磁性有微弱得磁性 其磁结构也由交换作用得涨落决定。其磁结构也由交换作用得涨落决定。二、非晶态磁性合金二、非晶态磁性合金 分三类分三类:1.过渡金属类金属合金过渡金属类金属合金(TM)由由80%得得Fe(Co、Ni)与与Si、C、B、P(类金属类金属)组组成成,有强铁磁性有强铁磁性,以薄带形式应用。其磁矩主要来自以薄带形式应用。其磁矩主要来自于过渡金属于过渡金属,但磁矩随类金属元素含量增加而下降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得原子磁矩小。所以比晶态过渡金属中相应得原子磁矩小。