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磁性材料磁性的起源-PPT.pptx
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1、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
2、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
3、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P
4、J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
5、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
6、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
7、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
8、: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
9、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
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