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1、内蒙古科技大学本科毕业论文题 目：论交换作用超交换作用双交换作用 学生姓名：学 院：物理科学与技术学院专业：应用物理学班级：2008级应用物理指导教师：教授二一二年五月摘要交换作用：电子是费米子,包括轨道波函数和自旋函数的总波函数必须取反对称的形式, 静 电的交换相互作用影响到自旋的排列。Heisenberg直接交换相互作用只是指出了分子场 超交换作用：磁性物理Mn2 + O 2-Mn2+双交换作用：双交换作用模型来源于混价 情形;人所共知的一点是双交换作用的一个显著特点是电子转移行为和磁性状态之间的强烈 相关关键词：交换作用；超交换作用；双交换作用AbstractExchange actio
2、n: electronic is fermion, including rail wave function and spin the total wave function must take the form of against says, static electricity exchange interact to spin arrangement. Heisenberg direct exchange interaction just pointing out molecular field。Super exchange action: magnetic physical Mn2+
3、O 2Mn2+ double exchangeaction: double exchange action model from mixed price situation; It is known to double role exchange a remarkable characteristic of is the electronic transfer behavior and magnetic state of intense between related.keywords： Exchange action; super exchange action; double exchan
4、ge action；目录引 言 51.物质的铁磁性与交换作用51.1 铁磁性简介及外斯分子场理论51.2 交换作用81.2.1 自发磁化的交换作用理论81.2.2 海森伯交换作用模型82. 物质的反铁磁性与超交换作用102.1 反铁磁性简介及定域分子场理论102.2 超交换作用123亚锰酸盐磁电阻效应与双交换作用143.1 亚锰酸盐磁电阻效应143.2 双交换作用14结 论 16参考文献18致 谢 19引言物质的磁性是当今社会物理科学研究中的一个重点，其中铁磁性尤为重要， 而反铁磁性尚处于研究中。在这个意义上，物质的铁磁性、反铁磁性产生机理的 研究则是必不可少的。从而，人们在研究中提出了交换作
5、用、超交换作用，甚至 双交换作用，用这三种交换作用模型形象的解释了物质的铁磁性、反铁磁性以及 混合价亚锰酸盐系统的铁磁性产生原因的本质，从而使科学研究向更深步迈进。 所以，在此我们来系统的了解一下交换作用、超交换作用以及双交换作用的基本 原理。1.物质的铁磁性与交换作用1.1铁磁性简介及外斯分子场理论磁性是物质的基本属性之一。外磁场发生改变时系统的能量也随之改变， 这时就表现出系统的宏观磁性。物质的磁性根据其不同的特点，可以分为弱磁性 和强磁性两大类。弱磁性仅在具有外磁场的情况下才能表现出来，并随磁场增大 而增强，按照磁化方向与磁场的异同，弱磁性又分为抗磁性和顺磁性。强磁性主 要表现为在无外加
6、磁场时仍存在自发磁化，其另一个重要特点是存在一个临界温 度，即居里温度T，在T以上，由于热运动较强，致使自发磁化消失，因此，CC 居里温度是衡量引起自发磁化的微观作用大小的量度。由于自发磁化方式的不同 又可分为铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性和螺磁性等。除反铁磁性外，这些磁性通 常广义的称为铁磁性。铁磁性物质有其自身的基本特点和基本现象，其最基本的特点便是在居里 温度下，铁磁性物质存在自发磁化。由于物质内部自身的力量，使任一小区域内 的所有原子磁矩，都按一定的规则排列起来的现象，称为自发磁化3。 这一点已 有大量的实验事实证明，尤其在研究非磁的物理现象更能说明铁磁物质中存在自 发磁化。一般来说，凡是
7、具有铁磁性的物质，其比热、电导率、热膨胀系数等非 磁性的物理量，在磁性转变温度以下和附近出现较为突出的反常现象。而这种反 常现象对铁磁物质所受外界磁化状态是不敏感的，这正说明自发磁化起了决定性 的作用。另外，铁磁性物质具有一些引人注目的现象，例如存在居里温度、磁晶 各向异性、磁致伸缩和退磁现象等。居里温度的高低与该物质的化学组分和晶体 结构有关，而与其磁历史无关。另外三个基本现象对磁性的影响往往都是通过改 变材料内部的磁畴结构及磁畴的运动方式显现出来1，在此对后三种特点做简单 介绍：（1）磁晶各向异性 在测量单晶体的磁化曲线时发现磁化曲线的形状与磁 场加在单晶体的晶轴方向有关。由于磁晶各向异性
8、的存在，在同一单晶体内，磁 化强度随磁场的变化因方向不同而有所差异，在某些方向易磁化，某些方向不易 磁化。磁晶各向异性对磁性材料的磁导率、矫顽力等结构灵敏量影响很大。（2）磁致伸缩 铁磁材料由于磁化状态的变化而引起的长度变化称为磁致 伸缩。磁致伸缩不但对材料的磁性有很重要的影响，而且效应本身在实际应用中 也很重要。利用材料在交变磁场作用下长度的伸缩，可以制成超声波发生器和接 收器，以及力、速度、加速度等的传感器、延迟线、滤波器、稳频器和磁声存贮 器等。（3）退磁场 磁性材料被磁化以后，只要材料的形状不是闭合形的或不是 无限长的，则材料内的总磁场强度H将小于外磁场强度H，这是因为这些材料 e被磁
9、化以后要产生一个退磁场强度H，在材料内部H的方向总是与H和M的 d d e 方向相反，其作用在于削弱外磁场，所以称为退磁场。铁磁性是一种强磁性。对于单晶纯铁，在4kAm-1大小的磁场下，就可以 磁化到2T,已接近饱和磁化状态。在相同大小的磁场下，典型的顺磁物质的磁 化强度仅为1.2X10-6T2。为了解释物质的铁磁性特征，皮埃尔外斯于1907年在朗之万顺磁理论的 基础上提出了“分子场”假设。外斯分子场理论可以概括为两点：（1）分子场引 起自发磁化假设；（2）磁畴假设2。外斯假设在铁磁性物质内部存在着分子场。原子磁矩在这个分子场的作用 下，克服了热运动的无序效应，自发的平行一致取向，从而表现为铁
10、磁性。当温 度升高到磁矩的热运动能足以与分子场抗衡时，分子场引起的磁有序被破坏，从 而表现为顺磁性。这一温度就称为居里温度To据此，可以估算出分子场的大小，C即kT二H 卩卩C m 0 J式中，k为玻尔兹曼常数，大小为1.3805 x 10-23 J - K-1, T为居里温度，不妨取C103K , H为分子场强度，则可以估算出H为109 A - m-1量级。这比原子磁矩mm相互之间的磁偶极距作用大几个数量级，所以当H作用在原子磁矩上时，就使 m原子磁矩趋于分子场方向。这样，在没有外磁场作用时，铁磁体的每一小区域内 的原子磁矩也有取某一共同方向的趋势，导致自发磁化。既然铁磁性物质，比如 铁，能
11、够自发磁化到磁饱和状态，那么为什么能够轻易得到处于消磁状态的铁 呢？或者说，为什么通常未经磁化的铁都不具有磁性呢？外斯的第二个假设回答了这个问题。外斯假设铁磁性物质在消磁状态下被 分割成许多小的区域，这些小区域被称为磁畴。在磁畴内部，原子磁矩平行取向， 自发磁化强度为M。但是，不同磁畴之间磁化方向不同，以至于各磁畴之间的S磁化相互抵消。因此宏观铁磁性，在无外斯场作用下，并不表现出磁性。这样， 铁磁体的磁化过程就是磁体由多磁畴状态转变为与外加磁场同向的单一磁畴的 过程。铁磁体的磁化过程如图1.1所示。（a）中虚线所围的为铁磁体内的一块区 域。它包含两个磁畴，中间由畴壁分割。两个磁畴的自发磁化方向
12、相反，而整体 磁性为零。（b）中，施加了外磁场H，使畴壁向下移动，结果上面的磁畴长大， 同时下面的磁畴减小。外磁场增大，最后畴壁移出了虚线所围的区域，如（c） 中所示。随着外磁场的进一步增大，磁化逐渐向外磁场方向旋转，最终磁化到饱 和状态，如（d）中所示。包含大量磁畴的铁磁体磁化过程和上述过程一致2(c) M= M cos 0图 1.1 铁磁体磁化过程21.2交换作用1.2.1 自发磁化的交换作用理论“分子场”理论在说明铁磁体自发磁化原因及其与温度的关系，在给出高温 顺磁性规律方面是成功的，但并未触及“分子场”本质。自从量子力学建立后， 人们用它讨论了自发磁化的起因，认识到分子场的本质是原子中
13、电子及相邻原子 之间电子的静电交换作用。它与经典的库伦静电作用不同，纯属量子效应，即由 电子的全同性和泡利原理显现的特点。量子理论在说明自发磁化时，提出了交换 作用的模型。交互作用模型最早由弗兰克尔和海森伯先后独立提出。海森伯对铁磁性自 发磁化做了较详细的研究，因此，通称海森伯交换作用模型，由它得到的定性结 果可以说明铁磁性存在自发磁化的基本原因；所有量子力学理论在说明有序问题 时都以交换作用为基础，指出它是出现铁磁性、反铁磁性和螺旋磁性的根本原因 1。1.2.2 海森伯交换作用模型外斯分子场理论虽然取得了很大的成功，但并没有解释分子场的起源。海 森伯在量子力学的基础上提出了交换作用模型，认为
14、铁磁性自发磁化起源于电子 间的静电交换相互作用。交换作用模型认为，磁性体内原子之间存在着交换相互作用，并且这种交 换作用只发生在近邻原子之间。系统内部原子之间的自旋相互作用能为：E =2AY SSex i j式中，A为交换积分，S和S为发生交换相互作用原子的自旋。原子处于基态时，ij系统最为稳定，要求E 0。当A 0时，(S S ) 0时， (S S ) 0，自旋平行为基态，即铁磁性 ij排列系统能量最低2。由交换作用模型可以得出物质铁磁性的条件。首先，物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳层，即具有原子磁矩；其次，物质具有铁磁性的充要条件是A0, A为相邻原子间的交换积分。图 1
15、.2贝蒂-斯莱特曲线2图 1.2 所示的贝蒂-斯莱特曲线,给出了一些铁磁性金属的交换积分随着r /r的变化关系。其中，r为原子半径，r为3d电子壳层半径。从曲线可以a 3 d a3 d看出，当r /r值由小变大时，A由负变正，经过极大值，然后逐渐变小。考虑a 3 d两个同种原子从远处逐渐靠近，原子半径减小，而3d电子壳层半径不变，结果 r /r 值由大逐渐变小。原子间距离远， r /r 比值很大时，交换积分为正，数 a 3 da 3d值却很小；随着两原子间距离减小， 3d 电子越来越接近，交换积分逐渐增至极 大值而后降低至零；进一步减小原子间距， 3d 电子靠的非常近，导致电子自旋 反平行排列（交换积分 A 0），产生反铁磁性2。对于铁磁性物质来说其居里温度与交换积分成正比。居里温度实际上是铁 磁体内交换作用的强弱在宏观上的表现：交换作用越强，自旋相互平行取向的能 力就越大，要破坏磁体内的这种规则排列，所需要的热能就越高，宏观上就表现 为居里温度越高。从贝蒂-斯莱特曲线上Fe，Co和Ni的位置可以看出：三种物 质中Co的居里温度最高，Ni的居里温度最低。贝蒂-斯莱特曲线是从直接交换作用出发，反映 3d 金属
