磁化学专题知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、磁磁 化化 学学Magnetochemistry陶陶 军军厦门大学厦门大学 化学化工学院化学化工学院 化学系化学系固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室第1页主主 要要 内内 容容第一章第一章 磁性经典电磁理论磁性经典电磁理论 磁性发觉历史磁性发觉历史 电偶极与磁偶极电偶极与磁偶极 电极化与磁化电极化与磁化 宏观磁现象宏观磁现象第二章第二章 原子磁矩起源原子磁矩起源 角动量角动量 电子磁矩电子磁矩 自旋自旋-轨道作用轨道作用 Zemann效应效应 多电子体系总磁矩多电子体系总磁矩第2页主主 要要 内内 容容第三章第三章 抗磁性抗磁性 Langevin抗磁理论抗磁理论 电磁
2、学描述电磁学描述 抗磁校正抗磁校正第四章第四章 顺磁性顺磁性 Brillouin方程方程 居里定律居里定律第五章第五章 晶体场影响晶体场影响 晶体场作用晶体场作用 零场分裂零场分裂 van Vleck方程方程 磁各向异性磁各向异性第3页第六章第六章 磁相互作用磁相互作用 Heisenberg交换作用交换作用 磁相互作用能级磁相互作用能级 簇合物磁化率簇合物磁化率主主 要要 内内 容容第七章第七章 磁有序磁有序 长程有序长程有序 分子场理论分子场理论 铁磁性、反铁磁性、亚铁磁分子场铁磁性、反铁磁性、亚铁磁分子场 理论理论 偶极偶极-偶极作用偶极作用 分子场近似分子场近似第4页第八章第八章 特殊磁
3、现象特殊磁现象 Spin Flop 场诱导有序场诱导有序 铁磁体铁磁体 自旋倾斜和弱铁磁性自旋倾斜和弱铁磁性主主 要要 内内 容容第九章第九章 低维磁性低维磁性 一维链体系一维链体系 变磁现象变磁现象 自旋倾斜和弱铁磁性自旋倾斜和弱铁磁性第十章第十章 试验方法试验方法 仪器工作原理仪器工作原理 直流磁化率测量直流磁化率测量 数据处理与分析数据处理与分析第5页主主 要要 内内 容容第十一章第十一章 数据拟合数据拟合 Kambe方法方法 计算程序计算程序第十二章第十二章 磁化学专题磁化学专题 稀土离子磁性稀土离子磁性 旋轨耦合旋轨耦合 单分子磁体单分子磁体 双稳态磁性双稳态磁性第6页参参 考考 资
4、资 料料1)姜寿亭、李卫 编著第一版凝聚态磁性物理版 Richard L.Carlin著Magnetochemistry1986年版 Springer-Verlag(注:南京大学翻译过该书)A.F.Orchard著Magnetochemistry Oxford Higher Education出版4)Olivier Kahn著Molecular Magnetism,Wiley-VCH出版 Stephen Blundell著Magnetism in Condensed Matter,Oxford Higher Education出版 J.S.Miller和M.Drillon编著Magnetism
5、:Molecules to Materials(I-V),Wiley-VCH出版 K.H.J.Buschow和F.R.de Boer著Physics of Magnetism and Magnetic Materials Kluwer Academic/Plenum Publishers出版第7页第一章第一章 磁性经典电磁理论磁性经典电磁理论一、磁性历史一、磁性历史1.古希腊:古希腊:Magnesian stone 相互吸引相互吸引古希腊地名,今土耳其西部古希腊地名,今土耳其西部磁铁矿磁铁矿 Fe3O4magnet:中世纪拉丁文:中世纪拉丁文magneta(c.1440)2.Plato:(c.
6、428-348 BC)注意到磁感应现象注意到磁感应现象基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室第8页2.Plato:(c.428-348 BC)注意到磁感应现象注意到磁感应现象基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室Magnesian stone 吸引铁环,铁环吸引铁环,铁环又能够吸引其它铁环。又能够吸引其它铁环。3.十二世纪:十二世纪:罗盘、指南针罗盘、指南针西欧、中国。对航海和文艺复兴西欧、中国。对航海和文艺复兴产生巨大影响。产生巨大影响。4.William Gilbert:(1600)指出地球就是一个大磁指出地球就是
7、一个大磁 铁,并说明了航海罗盘工作原理。铁,并说明了航海罗盘工作原理。第9页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室5.rsted:(1819)电流产生磁场电流产生磁场6.Ampre:(1820-25)电流线圈在某处产生电流线圈在某处产生 磁作用相当于一个磁棒。磁作用相当于一个磁棒。7.Faraday:(1831)发觉电磁感应发觉电磁感应 (1845)创造名词创造名词 magnetic field8.经典电磁理论经典电磁理论9.量子力学量子力学第10页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室二、磁性基本概念二、磁性基本概念
8、1.电偶极矩电偶极矩q+qa =qa方向从负电荷指向正电荷方向从负电荷指向正电荷 电偶极矩受电场电偶极矩受电场 E 作用时,作用时,产生扭矩,大小为:产生扭矩,大小为:=Esin E该作用将电偶极矩转向电场该作用将电偶极矩转向电场方向。方向。(1.1)(1.2)第11页该扭矩为矢量,方向朝向该扭矩为矢量,方向朝向 与与 E 平面垂直方向。平面垂直方向。基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室 =E该偶极在电场中势能为:该偶极在电场中势能为:U=E=Ecos 即即 与与 E 平行时平行时 U 最小。最小。2.磁偶极矩与磁场磁偶极矩与磁场一根小磁棒和一个电偶极矩
9、类似,它产生磁场相一根小磁棒和一个电偶极矩类似,它产生磁场相当于电偶极矩产生电场。磁棒是宏观磁偶极,是当于电偶极矩产生电场。磁棒是宏观磁偶极,是原子或亚原子层次磁偶极矩集中表达。原子或亚原子层次磁偶极矩集中表达。(1.3)(1.4)第12页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室在经典物理学里,原子或分子磁偶极模型就是电在经典物理学里,原子或分子磁偶极模型就是电流线圈。流线圈。Im(A)m=kIA单位线圈和单位电流时,单位线圈和单位电流时,k=1m=IA m B磁偶极与磁场磁偶极与磁场 B 作用:作用:U=m B=mBcos =m B扭矩扭矩 =mBsin(
10、1.5)(1.6)(1.7)(1.8)(1.9)第13页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室磁场磁场 B:在任一点上方向定义为在该点稳定自:在任一点上方向定义为在该点稳定自 由线圈磁偶极方向;大小定义为单位磁由线圈磁偶极方向;大小定义为单位磁 偶极与磁场方向成直角时扭矩大小。偶极与磁场方向成直角时扭矩大小。=m B1 T=10000 G地表地表 0.5 G,日惯用磁铁,日惯用磁铁 50 G。3.电极化电极化(a)极化:施加电场到一个物质,就引发该物质极极化:施加电场到一个物质,就引发该物质极 化。电荷分布变形或内在偶极矩取向朝向外场化。电荷分布变形或内在
11、偶极矩取向朝向外场 方向。方向。(1.10)第14页电极化电极化 P:单位体积诱导偶极矩:单位体积诱导偶极矩P=0 eE e:电极化率:电极化率 0:真空介电常数:真空介电常数 (8.8542 1012 J1C2m1)(b)极化度极化度:非极性物质非极性物质(大部分是绝缘体大部分是绝缘体),极化主要是较,极化主要是较弱弱变形效应,施加电场造成原子核和电子轨道相变形效应,施加电场造成原子核和电子轨道相对移动,诱导产生电偶极矩对移动,诱导产生电偶极矩 i 基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室(1.11)第15页 i=E 与对象原子或分子相关与对象原子或分子相
12、关基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室 +i E 摩尔极化强度摩尔极化强度:NA i=NA E(又又 P=0 eE)摩尔极化率摩尔极化率:mol=01NA 4.磁化磁化(a)磁化强度磁化强度 M(1.12)(1.13)(1.14)第16页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室 磁化和电极化现象类似,只不过是将原子或分磁化和电极化现象类似,只不过是将原子或分子内电流线圈重新排列,或在物质内部诱导产生子内电流线圈重新排列,或在物质内部诱导产生磁偶极。磁偶极。M:单位体积磁偶极矩:单位体积磁偶极矩M=01 mB m:磁化率
13、:磁化率 0:真空透过率:真空透过率 mol=K Mr/103=m Mr/103 (m3 mol1)(K:质量磁化率:质量磁化率)(1.15)第17页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室(b)磁场强度和内场:磁场强度和内场:磁场强度磁场强度 在真空中为在真空中为 磁化物质内场磁化物质内场HB0=0HB=B0+0M=0(H+M)m=0M/B=M/H (定义定义)所以所以 B=B0+0M=B0+0 mH =B0+mB0=(1+m)B0=rB0三、宏观磁性不一样形式三、宏观磁性不一样形式磁化就是单位线圈对外磁场响应,倾向于使对应磁化就是单位线圈对外磁场响应,倾
14、向于使对应磁矩朝向磁场方向,所以磁矩朝向磁场方向,所以 是正值,是正值,也是正值也是正值,样品内部磁场增量也是正值。,样品内部磁场增量也是正值。M m(1.16)(1.17)第18页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室1.抗磁:负磁化抗磁:负磁化1.正磁化能够采取不一样形式,取决于其强度以及正磁化能够采取不一样形式,取决于其强度以及2.与温度和磁场依赖关系。与温度和磁场依赖关系。1.抗磁类似于物质内部单个原子或分子电流线圈抗磁类似于物质内部单个原子或分子电流线圈2.变形,产生一个与外磁场方向相反较小磁矩。变形,产生一个与外磁场方向相反较小磁矩。3.M和和
15、 m都为负值。都为负值。4.全部物质都有抗磁性,全部物质都有抗磁性,m与温度和磁场无关。与温度和磁场无关。5.原子物质摩尔抗磁磁化率约为原子物质摩尔抗磁磁化率约为6.1011Z(m3mol1)第19页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室2.顺磁:顺磁:open-shell species每个原子或分子就是一个永久磁偶极矩每个原子或分子就是一个永久磁偶极矩 m,与极性,与极性分子电偶极矩分子电偶极矩 一样。外加磁场会定位这些偶极一样。外加磁场会定位这些偶极,但这种作用会被热效应严重妨碍。热效应倾向于,但这种作用会被热效应严重妨碍。热效应倾向于使分子偶极随机
16、取向,所以磁化会随温度而改变。使分子偶极随机取向,所以磁化会随温度而改变。最简单最简单(无磁相互作用无磁相互作用)情况情况(如气态如气态O2):m=C/T 居里定律居里定律 C:居里常数:居里常数(1.18)第20页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室假定偶极间作用能够忽略,且假定偶极间作用能够忽略,且Boltzmann能能kT远远远远大于磁势能大于磁势能mB,则,则 m随随T改变能够用改变能够用Maxwell-Boltzman统计学来解释:统计学来解释:B/M T pV=nRT3.有序磁性有序磁性(或协同磁性或协同磁性):(a)反铁磁性反铁磁性 TN
17、TTTNordered phase(1.19)第21页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室1.(b)铁磁性铁磁性 TC TTTC m 104Ferromagnetic orderingMTTCsaturation valueparamagnetismMsat=NAm第22页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室软软(soft)铁磁材料:外磁场降为零时磁化也消失。铁磁材料:外磁场降为零时磁化也消失。硬硬(hard)铁磁材料:有磁滞、剩磁。铁磁材料:有磁滞、剩磁。铁磁物质消磁可经过加热到铁磁物质消磁可经过加热到TC温度以
18、上,不温度以上,不过降温到过降温到TC温度以下并不是理所当然地产生宏观铁温度以下并不是理所当然地产生宏观铁磁性,因为上述自发有序局限于微小区域磁性,因为上述自发有序局限于微小区域(磁畴磁畴),每个磁畴取向是随机。施加磁场可使之平行排列,每个磁畴取向是随机。施加磁场可使之平行排列,而且磁场消失时这种协同磁性还能保持。而且磁场消失时这种协同磁性还能保持。1.(c)变磁变磁性性FeCl2:二维结构。层内铁磁作用,层间反铁磁作:二维结构。层内铁磁作用,层间反铁磁作用,施加足够大磁场可使层间反铁磁作用反转为用,施加足够大磁场可使层间反铁磁作用反转为铁磁作用。一个磁相变。铁磁作用。一个磁相变。第23页基本
19、概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室第24页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室1.(d)亚铁磁性亚铁磁性 TfN:反铁磁一个形式:反铁磁一个形式XYMXMY1.(e)超顺磁:样品尺寸靠近于单个磁畴大小,易磁超顺磁:样品尺寸靠近于单个磁畴大小,易磁化化2.饱和,但没有剩磁。饱和,但没有剩磁。第25页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室4.各类磁性相对大小、与磁场和温度关系:各类磁性相对大小、与磁场和温度关系:抗抗 磁磁顺顺 磁磁反铁磁反铁磁铁铁 磁磁亚铁磁亚铁磁超顺磁超顺磁Pau
20、li顺磁顺磁103Z1 0.110710610106 c 102 b 类类 型型强强 度度a温度依赖温度依赖 磁场依赖磁场依赖a:室温时经典顺磁磁化率为室温时经典顺磁磁化率为1(108 m3mol1);b:除非除非B/T极大;极大;c:与磁场相关。与磁场相关。第26页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室四、四、Langevin-Debye理论理论静电与静磁学类比静电与静磁学类比1.库伦作用力和电场库伦作用力和电场q2rq1FFF=q1q2/40r2点电荷点电荷q在距离为在距离为r处电场处电场E为:为:E=q20r3rE=q40r2强度强度2.电偶极矩产生
21、电场电偶极矩产生电场.ErEtP Er=cos 20r3Et=sin 40r3切线切线径向径向r(1.20)(1.21)(1.22)第27页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室垂直于平面电场为零。垂直于平面电场为零。磁偶极产生磁场情况类似,用磁偶极产生磁场情况类似,用m代替代替,用,用 0代替代替 01。.BrBtMmBr=0mcos 2 r3切线切线径向径向Bt=0msin 4 r33.电偶极相互作用电偶极相互作用 1 2rr a偶极作用是因为一个偶极对另一偶极作用是因为一个偶极对另一个偶极产生电场反应。个偶极产生电场反应。(1.23)第28页基本概念
22、基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室 1 2r a设设 1 与与 2 平行,则在平行,则在 2 处由处由 1 产生电场产生电场 E1 为:为:E1=Ercos Etsin =140r3(2cos2 sin2)=140r3(3cos2 1)偶极偶极 2 与与 E1 作用能量为作用能量为 U:U=2E1两偶极相互作用势能为两偶极相互作用势能为 140r3(1 3cos2)2U=磁偶极相互作用势能为磁偶极相互作用势能为 0m1m24 r3(1 3cos2)U=(1.24)(1.25)(1.26)第29页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家
23、重点试验室4.取向极化取向极化Langevin-Debye在单个分子偶极上施加外电场,会产生扭矩使偶在单个分子偶极上施加外电场,会产生扭矩使偶极朝向电场方向。不过,偶极排列受热激发妨碍,极朝向电场方向。不过,偶极排列受热激发妨碍,倾向于随机取向。其结果就是在热平衡时分子偶倾向于随机取向。其结果就是在热平衡时分子偶极分布由经典极分布由经典Maxwell-Boltzmann统计学决定。统计学决定。与电场成与电场成 角排列偶极数量角排列偶极数量dn为:为:dn=(n/4)exp(U/kT)d U =Ecos d 是倾角为是倾角为 方向增量为方向增量为d 立体角立体角 d =2 sin d 每组每组d
24、n个分子在外电场方向偶极矩为个分子在外电场方向偶极矩为 cos。(1.27)第30页基本概念基本概念固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室对全部可能取向积分,得到电场方向平均偶极矩对全部可能取向积分,得到电场方向平均偶极矩为:为:=(cothx 1/x)x=E/kT =L(x)Langevin函数函数偶极矩与电场作用能量偶极矩与电场作用能量 E总是远小于总是远小于kT,即,即x很小,很小,则则Langevin函数函数 L(x)=x/3 x3/45+当当x0,x/3=E/3kT所以所以 =2E/3kT cos dn dn(1.28)(1.29)第31页基本概念基本概念固体表
25、面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室又又 mol=NA/0E 所以所以 mol=NA 0 23kT(+)Langevin-Debye方方程程顺磁磁化率顺磁磁化率 01 0,m 所以所以 mol=0NAm23kT(+):magnetisability。通常为。通常为0,所以,所以 T1。当当x,L(x)=1 所以所以 =Msat=NA=NA(1.30)(1.31)(1.32)第32页原子磁性原子磁性固体表面物理化学国家重点试验室固体表面物理化学国家重点试验室第二章第二章 原子磁性原子磁性一、角动量一、角动量1.轨道角动量轨道角动量 llrp=mevel=r p以速度以速度 v
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