铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁

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1、铁磁性铁磁性Ferromagnetism 过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。钐 (Samarium)， 钕 (neodymium) 与 钴 的 合金 常被用来制造强磁铁。铁磁理论的奠基者， 法国物理学家P.-E. 外斯于1907 年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“ 分子场 ” ，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。 1928 年 W.K. 海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给

2、予外斯的“ 分子场 ” 以 量子力学解释。1930 年 F.布 洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。铁磁性材料存在长程序，即磁畴 内每个 原 子 的未配对电子 自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场 ，比如 螺 线管 的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁 化1。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是 电磁铁 的物理原理。当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料“记忆 “了它们被磁化的历史。这种现象叫作

3、 剩磁 ，所谓 永磁体 就是被 磁化后，剩磁很大。当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临 界温度 叫 居里温度 (Curie temperature)。如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁 致伸缩 (magnetostriction)。产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。1907 年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的 “ 分子场 ” ，在 “ 分子场 ” 的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列

4、，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴 )的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（spontaneous magnetization ）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为。铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程 (又称感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。实验证

5、明，铁磁质自发磁化的根源是原子 (正离子 )磁矩 ， 而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样， 在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。例如铁的3d 状态有四个空位，钴的3d 状态 有三个空位，镍的3d 态有二个空位。如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将会得到较大磁矩，理论上铁有 4B，钴有3B，镍有2B。可是对另一些过渡族元素，如锰在3d 态上有五个空位，若同向排列，则它们自旋磁矩的应是5B，但它并不是铁磁性元素。因此，在原子中存在没有被电子填满的状态 (d 或 f 态 )是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件。故产生铁磁性不仅仅在于元素

6、的原子磁矩是否高，而且还要考虑形成晶体时，原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利。这是形成铁磁性的第二个条件。根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换。对于过渡族金属，原子的3d 的状态与s 态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d 状态电子的再分配。这种交换便产生一种交换能Eex( 与交换积分有关 )， 此交换能有可能使相邻原子内d 层末 抵消的自旋磁矩同向排列起来。量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时(A 0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍

7、是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。外斯分子场就是这样得名的。理论计算证明，交换积分A 不 仅与电子运动状态的波函数有关，而且强烈地依赖子原子核之间的距离Rab (点阵常数)，如图5-13所示。由 图可见， 只有当原子核之间的距离Rab 与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r 之比大于3，交换积分才有可能为正。铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件。铬、锰的A 是负值，不是铁磁性金属，但通过合金化作用，改变其点阵常数，使得 Rab /r 之比大于3，便可得到铁磁性合金。综上所述，铁磁性产生的条件：原子内部要有末填满的电子壳层；及Rab r 之比大于3 使

8、交换积分A 为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。根据自发磁化的过程和理论，可以解释许多铁磁特性。 例如温度对铁磁性的影响。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度Ms 下降。直到温度高于居里点，以致完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性。同样，可以解释磁晶各向异性、磁致伸缩等。具有铁磁性的元素：到目前为止 ,仅有四种金属元素在室温以上是铁磁性的，即铁，钴，镍和钆，极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钬、铒和铥居里温度分别为：铁768 ,钴 1070 ,镍 376 ,钆

9、20 反铁磁性概念解 析在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中 ,如果相邻原子自旋间因受负的交换作用,自 旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性 )，但总 的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。 注：这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列，即材料显示出小的正磁化率。但该 磁化率 与 温度 相关，并在奈尔点有最大值。用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。反铁磁性是指由于电子 自旋1反向平行排列。在同一子晶格中有自发 磁化 强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反

10、，整个晶体。 反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO 。不论 在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观 特性是 顺 磁性 的， M 与 H 处于同一方向，磁化率为正值。温度很高时，极小；温度降低，逐渐增大。在一定温度时，达 最大值。称为反铁磁性物质 的 居里点 或尼尔点 。对尼尔点存在的解释是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率几乎接近于0。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，增加。当温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。反铁磁性物质置於磁场中，其邻近原子之磁矩相等而排列方向刚好相反，因此

11、其磁化率为零。许多过 渡元素之化合物都有这种反铁磁性。物质之磁矩是由其内每一原子内之电子之自旋，及轨道运动所产生之磁矩和及原子间之交互作用之和。利用物质之磁矩对中子磁矩作用产生之绕射现象，可以测定物质内原子磁矩之分布方向和次序。利用中子绕射而测得之MnF2 和NiO 二种反铁磁性物质之磁矩结构。在 MnF2 反铁磁性物质中，Mn 离 子其 3d 轨道未饱和之电子受到磁场磁化之磁矩依面心立方晶格 Fcc 而分布，因在每一角落上离子之磁矩都是同一方向。而在其立方面上之离子磁矩都在同一相反方向。其向量和等于零，因而此种物质之磁化率， X 等于零 。物质在磁场中之取向效应受到热激动的抵抗，因而其磁化率

12、随温度而变。当温度等于某一温度尼尔温度（Neel Temperature ）时，反铁磁物质的磁化率会稍微上升，当温度超过尼尔温度TN 时，则反铁磁性物质之磁性近于顺磁性。顺磁性paramagnetism 顺磁性物质的 磁化率 为正值，比反磁性大1 3 个数量级，X 约 10-5 10-3 ，遵守 Curie定律或Curie-Weiss定律。物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在 自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取向杂乱的 磁矩 将定向，从而表现出顺磁性。顺磁性是一种弱 磁性 。顺磁 (性 )物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子

13、磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子 (或分子 )磁矩 之间并无强的相互作用 (一般 为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱 )排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率 (磁化强度与磁场强度之比 )成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一 (10-5) ，并且随温度的降低而增大。常见的顺磁物质有氧气 、金属 铂 (白金 )、一氧化氮、含掺杂原子的半导 体 如掺 磷(P) 或

14、砷 (As) 的硅 (Si) 、由幅照产生位错和缺陷的物质等。还有含导电电子的金属如锂(Li) 、钠 (Na) 等，这些 顺磁 (性 )金属的顺磁磁化率却与温度无关，这种金属的特殊顺磁性是可以用量 子力学 解释的。顺磁性虽是一种弱磁性，但也有其重要的应用，例如，从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以研究其结构，特别是电子组态结构；利用顺磁物质的绝热退磁效应可以获得约1-10-3K的超低温度， 这是一种产生超低温度的重要方法；在顺 磁性和顺磁共振基础上发展起来的顺磁微波量子放大器，不但是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器，而且也促进了激光器 的研究和发明，在 生命科学方面，如 血红蛋白和 肌红蛋

15、白在未同氧结合时为顺磁性，但在同氧结合后便转变为抗磁性 ，这 两种弱磁性的相互转变就反映了生物体内的氧化和还原过程，因而其磁性研究成为这种重要生命现象的一种研究方法； 如果目前医学 上有着重要应用的 核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以预料利用这一技术便可显示 生物体 内顺磁物质 (如 血红蛋白和自由基 等 )的 分布和变化，这会在生命科学和医学上得到重要的应用。简而言之：电子自旋产生磁场，分子中有不成对电子时，各单电子平行自旋，磁场加强。这时物质呈顺磁性。抗磁性diamagnetism 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩 互相 抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场 作用时 ，电子轨

16、道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率 便成为很小的负数 (量 )。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与 磁 场强度 之比值， 符号为 。一般抗磁(性 )物质的磁化率约为负百万分之一 (-10-6) 。常见的抗磁物质：水 、金属 铜 、 碳 (C) 和大 多数 有机物 和 生物 组织。抗磁物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化。物质抗磁性的应用主要有：由物 质的磁化率研究相关的物质结构是磁化学 的一个重要研究内容；一些物质如半导体 中的载 (电 )流子在一定的恒定(直流 )磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称 回旋 共振 )，由此可测定半导体中载流 子(电子和 空穴 )的符号 和有效质量；由生物抗磁(性 )组织的磁化率异常变化可推测该组织的病变(如癌变 )。核磁共振谱中的抗磁性。它是由于原子核外电子环流的作用使物质具有的磁特性。当所产生的磁性作用在与外加磁场相反的方向时产生屏蔽，则称为抗磁性。如物质中存在不配对电子时，则出现顺磁性 ，而且可超过任何的抗