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磁性基础知识 国家重点实验室 量子力学认为原子中任一电子的状态可以用n l ml和s四个量子数来描述 主量子数n n 1 2 决定原子中电子的能量角量子数l l 0 1 2 n 1 决定电子绕核运动的角动量的大小磁量子数ml ml 0 1 2 l 决定电子绕核运动的角动量在外磁场中的取向自旋量子数ms ms 1 2 决定电子自旋角动量在外磁场中的取向 1 量子力学基础 通常情况下描述一个原子的磁矩 对于只有一个电子的原子 B he 4 mc 9 274 10 24JT 1 玻尔磁子 对多个电子的原子 当有轨道贡献时 自旋轨道发生偶合 则 2 Curie Weiss定律 无序的自旋电子在没有外磁场作用下 净自旋为零 在外磁场作用下沿磁场方向排列产生净自旋 宏观上称为M 磁化强度 emuGmol 1 cm3Gmol 1 M是磁化率 emumol 1 cm3mol 1 H是磁场强度 G Oe T C居里常数 N B2 3k 0 125emuKmol 1 所以 C 0 125g2 S S 1 MT 常数低温下引入另一个常数 Weissconstant 则 M C T 即Curie Weiss定律 3 磁性测定种类 变温磁化率 M T变场磁化强度 M H交流磁化率 T T 4 常见的磁性类型 图1常见磁体或磁偶合的种类 ferromagnetorferrimagnet metamagnet paramagneticcomplexorantiferromagneticcoupling antiferromagnet diamagnet ferromagnet 4 1 铁磁体 图2确定Tc 16K Cu3 Fe CN 6 2 4NH3 9H2O的磁性 图3可确定饱和磁化强度 Ms gisi B M 6 022 9 274 左 图4Ms gisi B gCu 3 2 gFe 2 2 5 3N Bmol 1 实验值5 61N Bmol 1右 图5变温磁性 室温下 MT 2 61emuK mol C 0 125 2 22 1 2 3 2 3 22 1 2 3 2 2 2 11emuK mol 铁磁性交换 4 2亚铁磁体 图6 Angew Chem Int Ed 1999 38 12 1795 Mn en 3 Cr CN 6 2 4H2O Insert Expandedviewoftheminimumregionof MT 铁磁体和亚铁磁体的交流磁性 图7铁磁体和亚铁磁体的交流信号通常没区别 4 3反铁磁体和反铁磁性化合物 图7反铁磁体 NiII 2 radical 图8二维反铁磁性化合物 Mn titmb N3 2 n 1 5H2O 图9C 1 83emuKmol 1 理论值1 75emuKmol 1 图10C 4 53emuKmol 1 理论值4 38emuKmol 1 4 4变 介 磁体 H 图11低温变场数据 图12交流数据 图13有饱和值 4 5自旋倾斜 弱铁磁性物质 图14特点 1 实质上的反铁磁性 MT的最大值永远在室温而不是低温下的峰值2 有饱和值但是很小 通常达不到1N mol 1 图15交流部分和铁磁体的相同 4 6顺磁性化合物 例如 Cu3 图16 MT是一直线 拟合结果 g 2 05 J 0 0355cm 1 图17接近饱和 5 超顺磁和自旋玻璃5 1自旋玻璃 图18自旋玻璃的交流部分 图19Arrhenius定律拟合结果 能垒是 k 42 6K 0 3 5 10 6s 5 2超顺磁 单链或单分子磁体 图20Co4簇 Arrhenius定律拟合结果 能垒是 k 38 7K 0 1 73 10 8s 图21 Tp 2FeIII2 CN 6Cu CH3OH 2CH3OH n一维链 Arrhenius定律拟合结果 能垒是 k 112 3K 0 2 8 10 13s 6 自旋双稳态 自旋跃迁和结构诱导的磁转化 图22 NO2bzql Ni III dmit 2 CH3COCH3 7 其他 图23s