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交换作用理论材工10 1 为了解释物质的铁磁性特征 皮埃尔 外斯于1907年提出了 分子场 假设 外斯分子场理论包括两个假设 1 分子场假设 2 磁畴假设 但是 最致命的缺陷就在于它未能触及 分子场 的本质 本质 1 Heisenberg交换作用理论交换作用最早由弗兰克尔与Heisenberg先后独立提出 但Heisenberg对铁磁性自发磁化进行了详细研究 故通称Heisenberg交换作用理论 该理论得到的定性结果与经典理论相同 沃纳 卡尔 海森堡 1901年12月5日 1976年2月1日 对于过渡族金属 电子的3d状态与s态能量相差不大 因此它们的电子云将重叠 引起s d状态电子的再分配 并将引起能量的变化 通过量子力学我们得到了一个能量交换公式 式中 A为交换能积分常数 S1与S2分别是两个电子的自旋动量矩矢量 是两个自旋动量矩夹角 S是S1与S2的模 因为是同类电子 所以他们的模相等 在A 0的情况下 当cos 1时 Eex为最低值 即 0 表明只有当相邻原子磁矩同向平行排列 才具备能量最低的条件 从而实现自发磁化 产生铁磁性 反之 在A 0的情况下 则当cos 1时 Eex才为最低值 即 自旋磁矩反向排列时能量最低 根据量子力学计算 交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关 而且强烈地依赖于原子之间的距离Rab 见图4 6交换能积分常数A与原子间距的关系曲线 根据量子力学的观点 分子场的本质是原子中电子及相邻原子之间电子的静电交换作用 这种静电交换作用和经典的库仑静电作用不同 纯属量子效应 由交换作用模型可以得出物质铁磁性的条件 1 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 2 物质具有铁磁性的充要条件是A 0 A为相邻原子间的交换积分 Heisenberg交换模型的作用 Heisenberg理论的不足之处 认为每个原子中电子不可能从一个原子转移到另一个原子上去 电子是完全局域的 交换作用是直接的 假设状态分布集中在能量重心 也不符合实际 铁磁体与反铁磁性中都存在磁有序 铁磁体的磁结构具有多样性 量子理论在说明自发磁化时 相应提出了不同的交换作用模型 海森伯交换 间接交换 RKKY交换 S d交换 所有量子力学理论在说明磁有序问题时 都以交换作用为基础 它是出现铁 反铁 螺磁
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