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1、铁磁性物质在磁场中的行为，19世纪末就已经有了系统研究和应用，它的强磁性起因早就成为科学界需要解决的问题，1907 年法国科学家年法国科学家外斯外斯（Weiss）提出了）提出了分子场分子场和和磁畴磁畴的假说的假说（见姜书p53-54），唯象地解释唯象地解释铁磁现象铁磁现象，尽管当时还不知道引起自发磁化的分子场的具体来源，但在描述铁磁体宏观行为上却获得了很大的成功，如今这两个假说都已得到证实，它们的详细理论构成了今天磁性物理学的核心内它们的详细理论构成了今天磁性物理学的核心内容容。本章介绍分子场理论并从微观机制上探讨铁磁性自发磁本章介绍分子场理论并从微观机制上探讨铁磁性自发磁化的起因，亚铁磁性、
2、反铁磁性以及螺旋磁性的起因也将归化的起因，亚铁磁性、反铁磁性以及螺旋磁性的起因也将归并在这一章中介绍，并在这一章中介绍，磁畴学说则成解释强磁体在外磁场中的磁畴学说则成解释强磁体在外磁场中的行为的理论基础，称为技术磁化理论，我们将在四、五两章行为的理论基础，称为技术磁化理论，我们将在四、五两章中介绍。中介绍。 一一. 分子场的引入分子场的引入外斯(P.Weiss)提出分子场理论，并不是突发奇想并不是突发奇想，他是，他是在对居里在对居里-外斯定律的分析中得到启发的：外斯定律的分析中得到启发的：顺磁物质服从居里定律，所以有：超过居里温度后的铁磁体服从居里-外斯定律，所以有：对比两种情况，可以认为在铁
3、磁体内存在一个附加磁场对比两种情况，可以认为在铁磁体内存在一个附加磁场w称分子场系数称分子场系数分子场分子场2.4.1 铁磁性的铁磁性的“分子场分子场”理论理论如果认为正是这个附加磁场引起了自发磁化，那么它的量级就可以由下式确定：（居里温度时自发磁化消失）这是一个实验室内目前根本达不到的强度这是一个实验室内目前根本达不到的强度，姑且叫，姑且叫做分子场。显然在这样强的磁场作用下，使原子磁矩平做分子场。显然在这样强的磁场作用下，使原子磁矩平行排列是完全可以做到的。外斯根本没有考虑这样强的行排列是完全可以做到的。外斯根本没有考虑这样强的磁场会来源於何处，就做了铁磁体内存在分子场的大胆磁场会来源於何处
4、，就做了铁磁体内存在分子场的大胆假设，这是他的过人之处。假设，这是他的过人之处。见姜书见姜书p53二二. 自发磁化强度随温度的变化自发磁化强度随温度的变化 （图解法） BJ(a)是布里渊函数。在Langevin顺磁理论的基础上进行讨论：设单位体积单位体积有N个原子，在分子场的作用下，系统稳定的条件仍是静磁能与热运动能的平衡。利用在顺磁性研究中给出的外场下磁化强度的表达式这时的变量是：（3.1）（3.2）求解联立方程（3.1）即可以给出一定温度和磁场下的磁化强度。外磁场H = 0，即可求出一定温度下的自发磁化强度自发磁化强度增加一项增加一项Hm（3.4）式是一簇由不同J 值决定的曲线，见下图。（
5、3.5）式是一簇和T 值J 值有关的直线族。（3.3）令：H = 0并求解，给出解析解是困难的，我们用图解法因为由（3.1）式：方程（3.1）可以写成：（3.4）（3.5）温度为T时的磁化强度这是材料一个这是材料一个很重要的量很重要的量不同不同 J 值时的值时的Brilouin 函数曲线函数曲线 见戴书见戴书p123p123M(T)/M(0) 直线和曲线的交点给出该温度下的自发磁化强度数值直线和曲线的交点给出该温度下的自发磁化强度数值，不同温度直线和同一J值BJ( )曲线的交点给出该J值下M(T)和温度关系。显然是一条随温度上升而逐渐下降、在居显然是一条随温度上升而逐渐下降、在居里温度至零的曲
6、线，和实验结果是一致的。里温度至零的曲线，和实验结果是一致的。不同温度下的不同温度下的M(T)值值同一J 值下，不同温度的斜线原点是不原点是不稳定态。稳定态。 当温度T升至TC时，TC,1,顺磁磁化率（H0）整理后（习题3.2）可知顺磁磁化率其中C 是居里常数，得到了和TC一样的结果，这与实验是不相符的，所所以以“分子场分子场”理论虽然给出了理论虽然给出了Curie-Weiss 定律的表达式，定律的表达式，但细节上是不够准确的。但细节上是不够准确的。四四. Curie-Weiss 定律的导出定律的导出Kittel 书书8版版 p224有效玻尔磁子数由磁化强度M(0)测量给出：由居里常数C测量给
7、出：由洪德法则计算给出：测量最大值磁矩绝对值本表数值取自本表数值取自材料科学导论材料科学导论（2002）p266本表数值取自本表数值取自材料科学导论材料科学导论（2002）p278亚铁磁体亚铁磁体 1) 由分子场理论得到的铁磁性居里点和居里-外斯得到的居里点是一致的，但实际的物质是不一致的； 2) 在居里点磁化强度并不为零，将由短程序耒解释； 3) 在实际物质中，由居里温度以上的顺磁磁化率得到的有效原子磁矩与铁磁自发磁化强度得到的有效原子磁矩是不一致的。这些都是分子场理论所不能解释的。 注意注意当存在外磁场时，原子磁矩受到分子场和外磁场的共同作用，此时的磁化强度仍可由H0的联立方程（3.4）（
8、3.5）给出。H 0时由上述图解法给出的磁化强度称作饱和磁化强度时由上述图解法给出的磁化强度称作饱和磁化强度与上面与上面 H = 0 时的自发磁化强度从概念上是不同的时的自发磁化强度从概念上是不同的，但外磁场外磁场不大时，它们的数值差别很小，可以不加区别。不大时，它们的数值差别很小，可以不加区别。在相同温度下，表示H0的斜线和表示H=0的斜线斜率相斜率相同同，在通常磁场强度下，只是沿纵坐标下移了一个小量。MS(T)饱和磁饱和磁化强度化强度和（3.5）相比多一项五五. 存在外磁场时磁化强度的计算存在外磁场时磁化强度的计算饱和磁化强度饱和磁化强度MS(T)自发磁化强度自发磁化强度M(T) 实验中只
9、能测量出饱和磁化强度，由图明显看出，在T1临界点现象是对一个固体理论成功与否的考验临界点现象是对一个固体理论成功与否的考验。相变和临界点现象是目前的固体理论的一个前沿领域相变和临界点现象是目前的固体理论的一个前沿领域。“分子场”的作用形似磁场，可以从铁的居里温度估计出“分子场”的量级为109 Am-1。这相当于103 T或107 Oe的磁场，是目前实验室无法实现的数值。1927年多尔夫曼就用粒子穿越铁磁介质，从实验上证实“分子场”不可能是磁场。实验表明铁磁物质内磁场数值不会超过3104Oe。19521953年又用不带电荷的介子重复了此实验，结果是一致的。所以“分子场”不可能是磁场，究竟是何原因
10、导致自发磁化，这是量子力学出现后才能解决的问题，确切地说它应叫做“交换场”。七七. “分子场分子场”是磁场吗？是磁场吗？1.说明了自发磁化的存在及其随温度变化的规律。说明了自发磁化的存在及其随温度变化的规律。2.给出了铁磁性消失的转变温度给出了铁磁性消失的转变温度TC。3.给出了给出了TTC后，铁磁体的顺磁磁化规律后，铁磁体的顺磁磁化规律Curie-Weiss定律。定律。4.不足不足：没有说明没有说明“分子场分子场”的本质及为什么其数值与磁化强度成正比。的本质及为什么其数值与磁化强度成正比。1.在在 0 K和和 TC温度附近，分子场预示的规律与实验不符。温度附近，分子场预示的规律与实验不符。2
11、.注意注意：许多离子在固体中表现出来的原子磁距数值与：许多离子在固体中表现出来的原子磁距数值与Hund法法则给出的数值不同是晶场等作用的结果，与分子场理论无关。则给出的数值不同是晶场等作用的结果，与分子场理论无关。3.从从Langevin顺磁理论发展而成的顺磁理论发展而成的“分子场分子场”理论建立在对理论建立在对局域局域磁距磁距认识的基础上，认识的基础上，传导电子磁距不适合传导电子磁距不适合用分子场理论分析。用分子场理论分析。小结小结：分子场理论的：分子场理论的成功成功附录：铁磁物质的回转磁效应和朗德因子的测定：1.爱因斯坦-德哈斯效应：磁化引起转动。2.巴奈特效应：转动引起磁化。3.铁磁共振
12、效应：共同结论共同结论：铁磁金属及其合金，铁氧体的朗德因子都在1.852.0之间，说明铁族元素磁矩的元负载说明铁族元素磁矩的元负载 者主要是电子自旋。者主要是电子自旋。参见姜书参见姜书 1.14 p59-633.1已知Fe的居里温度为1043 K,试估计出”分子场”应有的量级，并从数值对比中说明它不可能是磁偶极子产生的磁场。提示：kBTC0BHm3.2试证明，按照分子场理论习题习题jB= 0 B“简洁是智慧的灵魂简洁是智慧的灵魂” 莎士比亚莎士比亚外斯的分子场理论可以说是宏观理论的典范。他只用了一个参数：Hm，就解释了复杂的铁磁现象。外斯（Weiss,Pierre）法国物理学家。1865年3月
13、25日生于莱茵省的米卢兹；1940年10月24日卒于里昂。外斯出生在阿尔萨斯，父亲是个缝纫用品商。当时，阿尔萨因普法战争割让给了德国，不过，外斯一家仍留在当地。他在德国和瑞士读书，但二十一岁上决定还是当个法国人。1887年，他以班上第一名的成绩从苏黎世工业学院毕业，随后便去巴黎深造。他对磁学特别有兴趣。1907年，他对铁磁性做出了解释。他认为，一个个原子磁体可以形成非同寻常的强耦合，他认为，一个个原子磁体可以形成非同寻常的强耦合，从而使它们都按一个方向排列，这便形成了强度累加起来的从而使它们都按一个方向排列，这便形成了强度累加起来的“磁磁畴畴”。铁中便存在这种磁畴，但各个磁畴的取向可能是任意的
14、；。铁中便存在这种磁畴，但各个磁畴的取向可能是任意的；一旦外磁场的作用使它们沿一个方向排列起来，整块铁就成了一一旦外磁场的作用使它们沿一个方向排列起来，整块铁就成了一个大磁体。个大磁体。1919年，阿尔萨斯又回归法国，外斯便在斯特拉斯堡创建了一个物理研究所。后来，该所成了磁学研究的中心。外斯于1936年退休。后来又看到德国军队在第二次世界大战中再度占领阿尔萨斯。他逃难到里昂，于法国屈辱地宣布投降不久以后去世。3.2试证明，按照分子场理论外斯的分子场理论虽获得了一定的成功，但分子场的起源问题却一直没有解决，直到20年后量子力学发展了才出现转机，1928年弗伦克尔首先正确指出分子场可以用原子间的特
15、殊相互作用来解释，同年海森伯把氢分子中电子之间的交换作用同电子自旋的相对取向联系在一起正确地解释了铁磁体中的自发磁化现象，从此，人们才意识到所谓的“分子场”实际是电子之间交换作用的一种 “平均场近似”。海森伯交换作用理论模型的建立，为铁磁量子理论的发展奠定了基础。 一一.氢分子中的交换作用氢分子中的交换作用 Heitler 和和 London (1927) 1.交换作用交换作用 2.基态能量与电子自旋态的关系：交换能基态能量与电子自旋态的关系：交换能 二二. Heisenberg 铁磁理论铁磁理论 1. Heisenberg 模型与分子场近似模型与分子场近似 2. 交换积分及铁磁性条件交换积分
16、及铁磁性条件 三三. 对对Heisenberg 模型的评述模型的评述（见姜书（见姜书 3.2节）节）2.4.2 Heisenberg 直接交换作用模型直接交换作用模型在一个氢分子体系中，由a，b两个氢原子组成，a 和b是两个氢原子的核，如果它们距离R很大，可以近似地认为是两个弧立的无相互作用的原子，体系的能量为2E0。如果两个氢原子距离有限，使原子间存在一定的相互作用，这时体系的能量就要发生变化。产生的相互作用如使体系能量降低，则体系稳定。它们组成氢分子后，体系要增加核之间的相互作用项e2/R，电子相互作用项e2/r,以及电子和另一个核之间的交叉作用项(-e2/ra2)和(-e2/rb1).氢
17、分子体系的哈密顿量可写成如下形式：1. 交换作用交换作用一一. 氢分子中的交换作用氢分子中的交换作用 （CGS制）RH0是两个孤立氢原子的哈密顿量是两个孤立氢原子的哈密顿量W(1,2)两原子的相互两原子的相互作用项作用项核核核核电子电子1电子电子 2按此Hamilton量直接求解Schodinger 方程是困难的，需要近似求解。以无相互作用时两个孤立原子的波函数a(1)和b(2)以及a(2)和b(1)为近似波函数，并考虑到两个电子自旋波函数的对称和反对称性，通过组合给出氢分子基态波函数的近似表达式（总的反对称要求）：a(1)是a原子中的电子1的波函数。b(2)是b原子中的电子2的波函数。a(2
18、)是b原子中的电子2在a原子的波函数。b(1)是a原子中的电子1在b原子的波函数。其中A(1,2)，S(1,2)分别称为 自旋反对称波函数自旋反对称波函数（自旋单重态）（自旋单重态）此时有：S=0,Sz=0此时有：此时有：S = 1，但，但Sz有三个值有三个值：0,1,-1。自旋对称波函数自旋对称波函数 （自旋三重态）（自旋三重态）该图取自材料科学导论（2002）p273自旋反平行自旋平行以1，2为近似波函数，求解薛定鄂方程，得到对应于两种状态的能量分别为：其中：库仑排斥能库仑排斥能库仑交换能库仑交换能重叠积分重叠积分K是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑能。A 是两个氢原子中电子交换
19、所产生的交换能，又称交换积分是两个氢原子中电子交换所产生的交换能，又称交换积分，交换能是静电性质的交换能是静电性质的，它的出现是量子力学的结果，来源于全同粒子系统的特性。对于氢分子，对于氢分子，A 0，E1 0 时可能导致铁磁性的实质问题，时可能导致铁磁性的实质问题，下面我们下面我们还按一个原子只有一个未被抵消的自旋来讨论。还按一个原子只有一个未被抵消的自旋来讨论。由Heisenberg给出的交换能表达式，我们可以知道出现铁磁性的必要条件是A0。Heisenberg 还曾推出了磁化强度随温度的变化规律（详见姜书p129-131），与分子场理论给出的结果（S=1/2）基本相同。居里温度附近和0
20、K附近的变化规律同样和实验规律不符。（见姜书p132）其主要成就归结为两个表达式：因为Heisenberg模型基础上的精确计算与分子场理论相比并没有给出原则上的改变，我们不再仔细讨论。Heisenberg模型的贡献在于揭示了分子场的本质，定性模型的贡献在于揭示了分子场的本质，定性地给出了发生铁磁性的条件。地给出了发生铁磁性的条件。总结起来，Heisenberg 交换作用模型给出的铁磁性条件铁磁性条件是：I.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未充满的电子壳 层层，即有原子磁距。（Si0）II.物质具有铁磁性的充分条件是A0，这里A可以理解为广义的或等效的交换积分，且交换能可以表示
21、为：据此，我们可以定性地讨论实际物质中发生铁磁性的条件。（有文献说：正的交换积分是铁磁性的必要条件，而不是充分条件。这与上面的说法并不矛盾。）2. 交换积分及铁磁性条件交换积分及铁磁性条件I.两个近邻原子的电子波函数在中间区域有较多的重叠；而且数值较大，e2/rij的贡献大，可得A 为正值；II.只有近邻原子间距a 大于轨道半径2r 的情况下才有利于滿足条件(1)，角量子数l 较大的轨道态(如3d和4f )波函数满足这两个条件可能性较大。I.铁族和稀土族未满壳层是3d或4f，l 较大，满足条件1，其原子间距主要取决于s-p价电子，所以间距要大于对磁性做贡献的壳层间距，满足条件2，易出现铁磁性。
22、II.奈耳（Neel）根据上述两个条件，总结了不同3d和4f等元素及合金的交换积分A与(a-2r)的关系。从图中给出的A 0和A 0的情况与实际是一致的。讨论讨论 A 0 的条件的条件该图和下页表来自Neel的原始文献反铁磁性反铁磁性铁磁性铁磁性冯索夫斯基冯索夫斯基铁磁学铁磁学上将铁磁性判据归结为：上将铁磁性判据归结为：1.要轨道量子数要轨道量子数 l 大的未满的电子壳层（大的未满的电子壳层（d 或或 f ）2.这些壳层的半径比起晶格中原子核间的距离来要小。这些壳层的半径比起晶格中原子核间的距离来要小。第一个条件对过渡族元素的电子层来说总是可以满足的，第二个体条件Slater(1930)认为，
23、铁族元素能最好的满足，为1.了定量地表征这第二个条件，他给出如下数据：该曲线取自冯书该曲线取自冯书铁磁学铁磁学上上p126 (1948)由表看出：Fe,Co,Ni的v 值最大，所以呈铁磁性，但v 值再大，交换积分的绝对值又会变小。Bethe （1938）绘出了A值大小和符合与v的关系图。这是一条假想曲线，反映了v值由小变大时，A由负变正，经过极大又变小的过程。它可以解释一些实验事实：比如Mn 是反铁磁性的，但MnAl,MnBi 以及郝斯勒(Heusler)合金Cu2MnAl，都是铁磁性的，定性地说，是由于这些合金中，Mn 原子间距变大，使交换积分A变正的结果。但另一些实验结果却是曲线不能解释的
24、，比如Fe的居里温度并不像曲线预言的那样随压力增大而减小。影响交换积分的因素很多，而原子间距只是影响因素影响交换积分的因素很多，而原子间距只是影响因素之一，因此，把之一，因此，把 A 仅看作是仅看作是 v 的函数是不全面的。的函数是不全面的。注意：该表中比率定义与前不同。但数值大体上是一致的。Heisenberg 模型的严格论证是1929年由Dirac完成的，见姜书3.3节的介绍。 但迄今为止，还没有严格的计算证明Fe,Co,Ni的交换积分A有足够的量值和正确的符号能够解释它们所具有的铁磁性。事实上，斯图阿特和弗里曼曾分别计算了铁的交换积分A值，发現A值比相对于保证3d金属出现铁磁性所要求的数
25、值小得多。后来对Ni 的计算还表明A值不但数值小，甚至符号也不对。因此Heisenberg模型不能直接用来解释过渡族金属和合金的磁性。 Heisenberg理论的主要贡献在于对自发磁化的产生给出了清晰的物理图像，对分子场的起源给出了令人满意的解释，对后来的磁学量子理论产生了重大影响。三三. 对对 Heisenberg 模型的评价模型的评价 “首先A0时，会出现反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性，进一步还可以用这个模型导出螺旋式结构及其它许多自旋结构。此外，这个模型还可以导出低温自旋波低温自旋波，弄清二级相变，临界涨落等性质。物质磁共振理论，也是建立在局域磁距模型基础上。由此模型并考虑到磁各向
26、异性，还可用普遍的自旋哈密顿量导出磁性物质的许多性质，既有趣又富有启发性，可以说达到了不胜枚举的程度。从微观的角度看，能合理地应用Heisenberg模型的是绝绝缘磁性化合物缘磁性化合物，在这种情况下，承担磁性的d或f 电子，由于强烈的电子关联，都被局域在各原子上，而相邻原子仅靠相互共有电子，产生反铁磁性的超交换作用，根据这种观点，Anderson建立了绝缘磁性化合物的磁性理论。此外，许多稀土金属的4f电子也被当作局域电子看待，在其中起作用的正是将传导电子作为媒介的原子间间接交换相互作用（即RKKY相互作用）。”摘自守谷亨：金属铁磁理论发展和现状（1984）海森伯海森伯（19011976）He
27、isenberg，WernerKarl德国物理学家。1901年12月5日生于维尔兹堡，1976年2月1日卒于慕尼黑。1923年在慕尼黑大学A.索末菲的指导下获博士学位索末菲的指导下获博士学位，同年赴格丁根随N.玻尔研究3年。19271941年任莱比锡大学教授。19421945年任柏林威廉物理研究所所长。第二次世界大战后任普朗克物理和天体物理研究所所长。1924年，海森伯海森伯到哥本哈根在N.玻尔指导下研究原子的行星模型。1925年解决了非谐振子的定态能量问题，提出量子力学基本概念的新解释。矩阵力学就是M.玻恩和E.P.约旦后来又同海森伯海森伯一道在此基础上加以发展而成的。海森伯海森伯于1927
28、年提出“不确定性”，阐明了量子力学诠释的理论局限性，对某些成对的物理变量，例如位置和动量，永远是互相影响的。虽然都可以测量，但不可能同时得出精确值。“不确定性”适用于一切宏观和微观现象，但它的有效性通常只限于微观物理学。1929年，他同W.E.泡利一道曾为量子场论的建立打下基础，首先提出基本粒子中同位旋的概念。1932年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖。在第二次世界大战期间，海森伯海森伯曾和核裂变发现者之一O.哈恩一起，为纳粹发展核反应堆。他虽然不公开反对纳粹统治，但阻止原子武器的发展。战后在格丁根他和其他科学家18人发表公告，反对德意志联邦共和国政府发展核武器。著有量子论的物理原理、原子核
29、物理学等。海森伯海森伯，德国理论物理学家，量子力学第一种有效形式（矩阵力学）的创建者。1901年12月5日海森伯海森伯生于维尔兹堡，出身于一位教古希腊语言的中学教师家庭，从小就受到家庭在古代文学方面的熏陶。1920年中学毕业后进慕尼黑大学学习理论物理学，在索末菲（Sommerfeld）指导下学习理论物理学。1923年在那里获得哲学博士学位。然后，他到哥廷根大学深造，成为玻恩教授和希尔伯特教授的学生，备受玻恩教授赏识。据玻恩回忆：“海森伯海森伯是我所能想象的最敏锐和最有能力的合作者”，“要跟上年青人，这对我一个上了年纪的人来说是很困难的”。1924年，海森伯海森伯开始在哥廷根大学讲课。两年后成为
30、哥本哈根大学的讲师。在那里，由洛克菲勒基金发给薪水，在N.玻尔的指导下进行研究。1927年，年仅26岁的海森伯海森伯回到德国担任莱比锡大学的理论物理学教授，一直到1941年。他以后的工作除将量子力学应用于具体问题如解释许多原子和分子光谱、铁磁现象等外除将量子力学应用于具体问题如解释许多原子和分子光谱、铁磁现象等外，总是在物理学的前沿作新探索。他同泡利一道曾为量子场论的建设打下基础。因为创立了量子力学（矩阵力学）它导致了氢的同素异形体的发现1932年年度的诺贝尔物理学奖金于度的诺贝尔物理学奖金于1933年授予海森伯年授予海森伯。1941年至1945年间，他在德国柏林大学担任物理学教授兼任凯泽威廉（Kaiser-wihelm）物理学研究所所长。1946年他再度到哥廷根大学担任物理学教授并兼任哥廷根的普朗克物理学研究所所长，一直到1958年。在此期间，1955至1956年还兼任圣安德勒斯大学革福特（Gifford）讲座讲师，1955年成为英国皇家学会会员。1958年至1970年，在德国慕尼黑担任物理学与天体物理学的普朗克研究所所长兼慕尼黑大学教授。1970年以后成为上述研究所的荣誉退休所长。1976年2月1日海森伯海森伯教授与世长辞，终年75岁。精品课件精品课件！精品课件精品课件！轨道分布轨道分布氢原子核外电子的氢原子核外电子的D D函数分布函数分布3s3d3p2s2p1s
