材料物理磁学部分2.pptVIP

材料物理（材料磁学部分） L-S耦合与j-j耦合 Z=32： L-S耦合：在原子系统中，各个电子的轨道角动量之间耦合强，每个电子的轨道角动量先耦合成总的轨道角动量，每个电子的自旋角动量先耦合成总的自旋角动量，然后再耦合成原子的总角动量。 Z82： j-j耦合：在原子系统中，每个电子本身的轨道角动量与自旋角动量首先耦合成每个电子的总角动量，然后各个电子的总角动量再耦合成原子的总角动量。 Z在32到82之间： 原子磁矩的耦合方式属于从L-S耦合到j-j耦合方式过渡，序号接近32的L-S耦合因素强，序号接近82的j-j耦合因素强。 过渡元素自由电子的电子组态和波尔磁子数 2.4 原子结构和磁性的关系 原子的磁性来源于电子的自旋和轨道运动； 原子内具有未被填满的电子是它具有磁性的必要条件； 电子的“交换作用”是原子具有磁性的重要条件。 3 物质的磁性分类 抗磁性（diamagnetism） 顺磁性（paramagnetism） 铁磁性（ferromagnetism） 反铁磁性（antimagnetism） 亚铁磁性（ferrimagnetism） 物质磁性的种类 4 铁磁性 4.1 铁磁性物质的特征 原子具有固有磁矩，在很小的外磁场作用下，物质就能被磁化到饱和。 存在铁磁性与顺磁性的临界温度点，称为居里温度Tc: TTc，铁磁性 TTc，顺磁性 在居里温度附近，铁磁性物质的许多性能出现反常现象。 4.2 铁磁性的物理本质（自发磁化理论） 分子场理论 交换作用理论 RKKY理论 4.2.1 分子场理论（1907.外斯） 分子场假设 磁畴假设 由交换作用推出铁磁性判据 必要条件：原子具有固有磁矩，即原子中必须有未被填满的电子壳层。 充分条件：交换积分A0。 【若要使A0，“电子云”重叠要多，近邻原子间距（晶格点阵常数a）应适当地大于3d电子轨道平均半径r，当3a/r5时，A0，且比较大。】 MnO的耦合键角示意图 铁磁性与反铁磁性的本质 当n=5时，电子自旋只能取与3d电子自旋取向构成反平行排列的状态，如果O1-与右侧磁性离子间的交换积分A0，导致O1-两侧磁性离子磁矩间反铁磁性耦合。如果A0，则导致铁磁性耦合。 当n5时，电子自旋只能取与3d电子自旋取向相同的状态，如果O1-与右侧磁性离子间的交换积分A0，则导致铁磁性耦合，如果A0，则导致反铁磁性耦合。 铁氧体中的超交换作用类型 以氧离子作为中间媒介，两个不同价态的过渡族离子间的交换相互作用。 例如：La1-xCaxMnO3中Mn离子有Mn3+和Mn4+。此时与超交换作用不同，氧离子的一个p电子进入Mn4+中，该Mn4+离子变为Mn3+，而氧原子另外一边的Mn3+离子中的一个电子交换到氧原子的p电子轨道，这样Mn3+离子变为Mn4+。由于Mn4+离子中的电子是未半满(n5)，跳入到Mn4+的电子自旋与Mn4+离子的电子自旋平行耦合。而从Mn3+（电子填充也是未半满）离子跳入氧离子p轨道电子自旋与跳到Mn4+离子的电子自旋方向必然是相同的。因此Mn3+离子的电子通过氧离子作为中间媒介跳入到Mn4+离子，使Mn3+离子与Mn4+离子间呈铁磁性耦合。称为双交换相互作用。 4.2.3 RKKY理论 * * 2.2 原子磁矩（孤立原子） 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PJ是总轨道角动量PL与总自旋角动量PS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：mJ =J,J-1,……-J 按原子矢量模型，角动量PL与PS绕PJ 进动。故μL与μS也绕PJ进动。 μL与μS在垂直于PJ方向的分量(μL)┴与(μS)┴在一个进动周期中平均值为零。 ∴ 原子的有效磁矩等于μL与μS 平行于PJ的分量和，即： PS PL PJ μL μS μJ μL-S 1、兰德因子gJ的物理意义： 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的大小。 2、原子磁矩μJ 在磁场中的取向是量子化的; μJ在H方向的分量为： 原子总磁量子数：mJ =J,J-1,……-J，（2J＋1个取值） 当mJ取最大值J 时， μJ在H方向最大分量为