物质抗磁性和顺磁性的物理机制.pdf

收稿日期 2004 05 02 作者简介 女 1962年生 副教授 张家口市 075000 物质抗磁性和顺磁性的物理机制 黄海燕 周和平 张家口教育学院 摘 要 抗磁质和顺磁质虽然都是弱磁质 但两者在磁化的物理机制上有着本质的不同 按 照朗之万模型 根据经典电子论 运用统计方法解释了抗磁质和顺磁质的磁化过程 并导出相 应的磁化率 关键词 抗磁质 顺磁质 磁矩 磁化强度 磁化率 中图号 O4 1 朗之万 Langevin 模型 物质放入磁场中将被磁化 有些物质磁化后磁性较强 属于强磁质 有些物质磁化后磁性较弱 属于 弱磁质 弱磁质包括抗磁质和顺磁质 实验表明 弱磁质磁化后 单位体积中的磁矩总和即磁化强度 M 与磁砀强度H 成正比 比值称为磁化率 并且物质的抗磁性和顺磁性有着本质的差别 为了解释 物质抗磁性和顺磁性 朗之万提出了以下模型 顺磁质分子中各电子轨道运动所产生的磁矩之和不为 零 亦即顺磁质分子具有有限的固有磁矩 抗磁质分子中各电子轨道运动的磁矩互相抵消 亦即抗磁质 分子的固有磁矩为零 按照朗之万模型 根据经典电子论 并运用统计方法 可以很好地解释抗磁质和顺 磁质的磁化 从而导出磁化率 2 抗磁质的磁化 虽然抗磁质分子的总磁矩为零 但其中每个电子的轨道运动仍都产生磁矩 设电子轨道运动的角速 度为 电子电量为 e 则电子轨道运动的等效电流为i e 2 设电子轨道所围面积为S 则电 子轨道运动的磁矩为m 1 c is e c 2 s 式中s 的方向由电流方向按右手法则确定 若电子轨道运 动的矢径为r 速度为v 则单位时间内r 扫过的面积为 ds dt 1 2 r v 一个周期T 电子运动一周 内扫过的面积为 s T 0 r v dt T 2 r v r v 故电子轨道运动的磁矩为m e 2c r v 当轨道运动的电子处在外磁场H 中 设H 方向沿Z方向 在外磁场作用下 将产生拉莫尔 Larmor 进 动 进动角速度为 p eH 2mc 式中m为电子质量 从而有附加速度 v p r 这时除原来的轨道 运动磁矩m 外 由于拉莫尔进动又产生一个附加磁矩 m e 2c r v e 2c r p r e 2c r 2 p r r p 写成分量式 mx e 2c xz p e p 2c xz my e 2c yz p e p 2c yz mz e 2c r 2 p z2 p e p 2c x 2 y2 由于附加磁矩随电子运动速度变化 必须对时间求平均 在上式中 交叉项的时间平均为零 即有 第22卷第2期 2004年6月 河北建筑工程学院学报 JOURNAL OF HEBEI INSTITUTE OF ARCHITECTURAL ENGINEERING Vol 22 No 2 June 2004 xz 0 yz 0 又因x2 y2 z2 1 3 x 2 y2 z2 1 3 R2 式中R是电子与原子核的距离 则 一个轨道运动的电子因拉莫尔进动而产生的附加磁矩为 m mz e 3c pR2 e2H 6mc2 R2 设原子 的原子序数为Z 则整个原子的附加磁矩为 m原 e2H 6mc2 z i 1 R2i 设单位体积包含的原子数N 则磁 化强度M N m原 Ne2 6mc2 z i 1 R2i H 因为M XH 所以抗磁质的磁化率为X Ne2 6mc2 z i 1 R2i 式中 号表示 物质磁化的方向与外磁场方向相反 所以称为抗磁质 3 顺磁质的磁化 顺磁质的分子具有固有磁矩m 0 在无外磁场时 由于分子运动的地规则性 整个顺磁质分子磁矩 总和为零 不显磁性 当加入外磁场H 后 在外磁场作用下 也会产生拉莫尔进动 产生一个反向的附加 磁矩 即表现为抗磁性 但是由于分子存在固有磁矩 在外磁场的作用下 每个分子的固有磁矩均要趋向 外磁场方向 产生一个与外磁场方向一致的宏观磁矩 这是顺磁效应 对于顺磁质 抗磁效应和顺磁效应 都是存在的 但是抗磁效应比顺磁效应弱得多 因而表现出顺磁性 顺磁质处在外磁场H 中 在热平衡 状态下 其分子固有磁矩m 0空间取向遵循麦克斯韦 玻尔兹曼 Maxwell Boltzmann 分布律 设 m 0与H 之间夹角为 则m 0处在 方向d 立体角内的分子数为dn Cexp E k T d 式中k为玻 尔兹曼常量 E为H 与m 之间相互作用能E m 0 H m 0Hcos 故dn Cexp m0Hcos kT d 设单位体积中的分子数为N 则 N C exp m0Hcos kT d 上 式 对4 立 体 角 求 积 有 C N exp m0Hcos kT d N 2 0 exp m0Hcos kT sin d 由于分子的固有磁矩m 0在空间的取向对于磁场方向 z方向 对称 则单位 体积内分子磁矩的总和即磁化强度为M Mz m0cos dn Cm0 cosexp m0Hcos kT d 2 Cm0 0 cos exp m0Hcos kT sin d N m0 0 exp m0Hcos kT sin d 0 exp m0Hcos kT sin cos d 令t cos a m0H kT 则M N m0 1 1 teatdt 1 1 eatdt N m0 9 9t ln 1 1 eatdt N m0 d da ln ea e a a N m0 ea e a ea e a 1 a 对于室温a 1 有M N m0 1 a a2 2 1 a a2 2 1 a a2 2 a3 6 1 a a2 2 a3 6 1 a N m0 2 a2 2a a3 3 1 a 1 3 N m0a N m20 3kT H 则顺磁质的磁化率为X N m20 3kT 331第2期黄海燕 周和平 物质抗磁性和顺磁性的物理机制 此式表明 顺磁质的磁化率X与绝对温度T成反比 与实验结果相符合 参 考 文 献 1 赵凯华 陈熙谋 电磁学 北京 高等教育出版社 1985 2 梁灿彬 秦光戎 梁竹健 电磁学 北京 人民教育出版社 1980 3 陈秉乾 舒幼生 胡望雨 电磁学专题研究 北京 高等教育出版社 2001 4 张世远 磁性材料基础 北京 科学出版社 1988 Physics mechanism of Diamagnetism and Para magnetism of Substance Huang Haiyan Zhou Heping Zhang jiakou Educational College Abstcract Both diamagnetic body and papamagnet are weak magnetic bodies but they have the essential differences in the magnetized physics mechanism According to Langevin model and classical electron theory by using the statistical method this article illustrates the magnetic processof diamagnetic body and paramagnet and works out the relevant magnetic susceptibility Keywords diamagnetic body paramagnet magnetic moment magnetic intensity magnetic susceptibility 上接第114页 6 S Robertson and I Soboroff TheTREC 2001 filtering track report In EMV Voorhees and DK Harman editors The Tenth Text REtrieval Conference TREC 2001 pages 26 37 Gaithersburg MD NIST 2002 NIST Special Publication 500 250 7 S Robertson and I Soboroff The TREC 2002 filtering track report In EMV voorhees and Lori P Backland editors The Eleventh T ext REtrieval Conference TREC 2002 Gaithersburg 8 URI HANANI BPACHA SHAPIPA and PERETZ SHOVAl Information Filterin g Overview of 11 203 259 2001 9 Nicholas J Belkin and W Bruce Creft Information filtering and information December 1992 10 黄萱青 夏迎炬 吴立德 基于向量空间模型的文本过滤系统 软件学报 2003 14 3 435 442 Overviewof MethOds and Measures for Evaluation of Information filtering System Yi Wenmin Gao Yan Wang Ying College of lnformation Northeastern University Shenyang Liaoning l10004 China Abstract This paper introduces the development of IF research area TRECs and what they had doneon IF It em2 phatically describes the main methods and measurements that are used for evalu