磁性材料第2章磁性的起源ppt课件.ppt

,第一节电子的轨道磁矩和自旋磁矩,第二节原子磁矩,第三节稀土及过渡元素的有效玻尔磁子,第四节轨道角动量的冻结（晶体场效应）,第二章磁性的起源,第五节合金的磁性,第一节电子的轨道磁矩和自旋磁矩,物质的磁性来源于原子的磁性，研究原子磁性是研究物质磁性的基础。原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩。原子核磁矩很小，在我们所考虑的问题中可以忽略。电子磁矩（轨道磁矩、自旋磁矩）原子的磁矩。即：,一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生）方法：先从波尔原子模型出发求得电子轨道磁矩，再引入量子力学的结果。按波尔原子模型，以周期T沿圆作轨道运动的电子相当于一闭合圆形电流i,其产生的电子轨道磁矩：,轨道动量矩,说明：电子轨道运动产生的磁矩与动量矩在数值上成正比，方向相反。,由量子力学知：动量矩应由角动量代替：,其中l0，1，2n-1，,l0，即s态，Pl0，l0（特殊统计分布状态）如有外场，则Pl在磁场方向分量为：,角量子数l0，1，2n-1（n个取值）磁量子数ml0、1、2、3l（2l+1个取值）在填充满电子的次壳层中，各电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，形成一个球体，因此合成的总角动量等于零，所以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些次壳层中的电子这些壳层称为磁性电子壳层。,二、电子自旋磁矩自旋自旋磁矩实验证明：电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一个B，取正或取负。,总自旋磁矩在外场方向的分量为：,计算原子总自旋角动量时，只考虑未填满次壳层中的电子。电子总磁矩可写为：,第二节原子磁矩,由上面的讨论可知，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L与S也绕PJ进动。,L与S在垂直于PJ方向的分量(L)与(S)在一个进动周期中平均值为零。原子的有效磁矩等于L与S平行于PJ的分量和，即：,注：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1gJl2)S=s1+s2,s1+s2-1,s1-s2(设s1s2),对于确定的L值，PL和L的绝对值分别为：,对于确定的S值，PS和S的绝对值分别为：,其中总角动量量子数J可以取以下数值：J=L+S,L+S-1,|L-S|（共2S(2L)+1个）,NOTE：由总角动量PJ并不能直接给出总磁矩，因为原子的总磁矩的方向与其总角动量的方向并不重合,pL,pS,pJ,J,L-S,s,L,2、原子磁矩J在磁场中的取向也是量子化的;,原子磁矩的大小取决于原子总角量子数J,原子总磁矩J在H方向的分量为：,原子总角动量在H方向的分量：,总磁量子数mJ：mJ=J,J-1,-J,4、组成分子或宏观物体的原子的平均磁矩一般不等于孤立原子的磁矩。这说明原子组成物质后，原子之间的相互作用引起了磁矩的变化。因此计算宏观物质的原子磁矩时，必须考虑相互作用引起的变化（晶体场的影响）一般按HundsRules计算出来的稀土离子的磁矩与实验值符合得较好，而铁族离子的磁矩则与实验值差别较大,3、原子中电子的结合大体分三类：LS耦合：各电子的轨道运动间有较强的相互作用liL，siS,JS+L发生与原子序数较小的原子中（Z82LS+jj耦合：32kBT。二、过渡族元素离子的顺磁性3d（铁族）、4d（钯族）、5d（铂族）、6d（锕族）1、结构特征：过渡元素的磁性来源于d电子，且d电子受外界影响较大。）,2、有效玻尔磁子即过渡族元素的离子磁矩主要由电子自旋作贡献，而轨道角动量不作贡献，这是“轨道角动量猝灭”所致。,过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，因而不考虑L孤立Fe原子的基态（6.7B)与大块铁中的铁原子(2.2B)磁矩不一样。物质中：Fe3的基态磁矩为5BMn25BCr24BNi22BCo23BFe24B（有几个未成对电子，就有几个B）,第四节轨道角动量的冻结（晶体场效应）,晶体场理论是计算离子能级的一种有效方法，在物理、化学、矿物学、激光光谱学以及顺磁共振中有广泛应用。晶体场理论的基本思想：认为中心离子的电子波函数与周围离子（配位子）的电子波函数不相重叠，因而把组成晶体的离子分为两部分：基本部分是中心离子，将其磁性壳层的电子作量子化处理；非基本部分是周围配位离子，将其作为产生静电场的经典处理。配位子所产生的静电场等价为一个势场晶体场。,晶体中的晶体场效应a、晶体场对磁性离子轨道的直接作用引起能级分裂使简并度部分或完全解除，导致轨道角动量的取向处于被冻结状态。b、晶体场对磁性离子自旋角动量的间接作用。通过轨道与自旋耦合来实现。常温下，晶体中自旋是自由的，但轨道运动受晶体场控制，由于自旋轨道耦合和晶体场作用的联合效应，导致单离子的磁各向异性。,一、晶体场劈裂作用考虑到晶体场与LS耦合作用，晶体系统的哈密顿量为：,等式中间第一项为第i个电子的动能，第二项为电子势能，第三项为原子内电子的库仑相互作用，第四项为自旋轨道相互作用，第五项为中心离子与周围配离子产生的晶场间相互作用。,采用简并态微扰法可计算系统的微扰能量，为此，须求解方程：,弱晶场,与自由原子（离子）一样，满足洪特规则。稀土金属及其离子属于此中等晶场,、,仍满足洪特规则，但晶体场V(r)首先对轨道能量产生影响，即能级分裂，简并部分或完全消除。含3d电子组态的离子的盐类属于此强晶场,不满足洪特规则，导致低自旋态。发生于共价键晶体和4d,5d,6d等过渡族化合物。,二、轨道角动量的冻结由于晶场劈裂作用，简并能级出现分裂，可能出现最低轨道能级单态，当单态是最低能量的轨道时，总轨道角动量绝对值L2虽然保持不变，但是其分量Lz不再是运动常量。当Lz的平均值为零，即时，就称为轨道角动量的冻结。一个态的磁矩是磁矩=(Lz+2Sz)，当Lz的平均值为零时，对于整个磁性，轨道磁矩不作贡献。（单态简并度为1（简并度由2l+1决定)简并度解除2l+1=1。所以l=0时为单态。）离子的轨道角动量冻结程度取决于轨道简并度解除的程度。,第五节合金的磁性,一、铁磁性合金按其组成可分为三类：1.由铁磁性金属组成，如：FeNi、FeCo。任何成分下都有铁磁性。2.由铁磁性金属与非铁磁性金属或非金属组成合金，如：FeSiAl、CoCr等。在一定范围内有铁磁性。由非磁性金属组成的合金，如：MnCrAl、MnBi。只在很窄的范围内由铁磁性。,铁磁性合金的磁性质与其各组元的磁性及合金相图有密切关系。其磁矩就来源于合金中可以自由游移于邻近各原子间的外层电子(与孤立原子的磁矩不同）,Slater-Pauling曲线表征周期表上相邻的元素组成的合金平均磁矩与外层电子数的关系。曲线的解释可用能带模型：在不同电子浓度的铁磁性合金中，电子补充或减少各能带中的电子分布，从而改变合金的磁性。,如：Fe：2B2.2BCo：1.1B1.7BNi：0B0.6B其磁畴结构由交换作用的涨落决定。稀土过渡金属合金呈亚铁磁性或铁磁性，以薄膜形式应用。磁结构为散亚铁磁性或散铁磁性，由各项异性涨落