磁学现象与物质的磁性.pptVIP

如3d态电子，l=3-l=2。当3d态填满了10个电子后，则这10个电子的轨道磁矩在磁场方向投影值为[0+1+2+(-1)+(-2)]μB=0，也就是说轨道磁矩相互抵消，因而对原子磁矩没有贡献。对磁性材料来说，最重要的是3d过渡族元素和4f镧系稀土元素，这两类元素都有未被填满的次电子层。第31页，共65页，星期日，2025年，2月5日电子的自旋磁矩电子的自旋运动是量子力学的效应。量子力学证明电子自旋运动产生的自旋磁矩：s为自旋量子数，它仅能取±1/2两个值。第32页，共65页，星期日，2025年，2月5日自旋磁矩在磁场中的投影值为：ms为自旋角动量方向量子数，仅取±1/2两个值。电子自旋磁矩在外磁场中的投影值与外磁场的方向相同或者相反，大小均为。如果次电子层填满电子时，电子自旋磁矩在外场的方向的投影值的和同样也为零。考虑原子磁矩时，填满电子的次电子层的自旋磁矩可不考虑。第33页，共65页，星期日，2025年，2月5日一些金属3d壳层的电子结构元素原子序数21222324252627282930元素名ScTiVCrMnFeCoNiCuZn磁性顺磁顺磁顺磁反铁磁反铁磁铁磁铁磁铁磁抗磁抗磁电子壳层结构壳层结构3d4S23d24S23d34S23d54S23d54S23d64S23d74S23d84S23d104S23d104S23d电子自旋排布第34页，共65页，星期日，2025年，2月5日电子自旋和轨道的相互作用自旋和轨道的相互作用就是电子的轨道运动对其自旋取向的效应。电子围绕带电核心运动可看成一个正电荷在围绕电子进行运动。由于电子位于一个电流环中心附近，这个电流环将产生一个磁场，使电子自旋磁矩的取向有一个从优的方向。电子自旋和它的轨道相互作用所产生一个使电子自旋磁矩改变的感生磁场。第35页，共65页，星期日，2025年，2月5日电子自旋和轨道的相互作用使电子的自旋角动量和轨道角动量不再独立，取而代之的是它们的矢量和，从而使衡量自旋磁矩和轨道磁矩对总磁矩的相对贡献变的困难。为此引入Lande因子g：J为原子总角量子数，S为原子总自旋量子数，L为原子总轨道角量子数。原子磁矩为：第36页，共65页，星期日，2025年，2月5日原子磁矩在磁场中的投影值也是量子化的取：

mJ为原子角动量方向量子数，它可取0，±1，±2，±3—±J等2J+1个值。计算μJ,H，只要知道J，L和S就可以了。可根据Hund法则确定这三个量。在未填满电子的那些次电子层中，在Pauli 不相容原理(一个原子中没有两个电子有相同的一组电子数)允许的条件下，S和L均取最大值。次电子层未填满一半时，J=L-S次电子层填满一半或一半以上电子时，J=L+S第37页，共65页，星期日，2025年，2月5日3d过渡族金属原子磁矩的理论值和实际值金属3d壳层电子数未抵消的电子数原子磁矩数理论值实验值Fe646.72.21Co736.41.716Ni825.580.606第38页，共65页，星期日，2025年，2月5日3d金属理论值和实验值差别较大。这是因为晶体中的原子磁矩与孤立的原子磁矩不同，要受到晶场的作用。金属晶体中原子按点阵有规则排列，在点阵结点上的离子处于周围近邻离子产生的晶场中。在晶场作用下，晶体中原子3d电子轨道磁矩被晶场固定住了，不随外磁场而转动，它对原子磁矩无贡献。这种现象称为轨道磁矩的“冻结”。第39页，共65页，星期日，2025年，2月5日3d金属原子磁矩主要由电子的自旋磁矩来贡献。对于Fe来说，根据Hund准则，电子的排布方式是5个同方向的自旋电子和1个不同方向的自旋电子，二者相抵后，剩余4个自旋磁矩对磁化产生贡献。孤立原子组成大块金属晶体后，4s电子已公有化，3d电子层成为最外层电子。由于3d轨道和4s轨道的能量十分接近，8个电子可能相互换位。第40页，共65页，星期日，2025年，2月5日按统计分布，Fe的3d轨道排布了7.88个电子，4s轨道上排布了0.12个。在对原子磁矩有贡献的3d轨道上，同方向自旋电子排布5个，异方向自旋电子排布2.88个，对磁化有贡献的电子为5-2.88=2.12个，不是表中的4个；Co、Ni中3d壳层不成对电子数分别为1.7和0.6个，而不是表中的3个和2个；Fe、Co、Ni的原子磁矩实验值比理论值低。Ti、V、Cr等元素同样也是因为如此，其轨道中不成对电子更少，显示出顺磁性和反铁磁