磁学基础知识

1、1.1 1.1 磁性、磁场和基本磁学量磁性、磁场和基本磁学量1.2 1.2 孤立原子的磁性孤立原子的磁性1.3 1.3 宏观物质的磁性质宏观物质的磁性质1.4 1.4 磁性体的热力学基础磁性体的热力学基础 本章回顾和总结我们在电磁学，原子物理等基础课中已经学习过的有关磁性知识，明确和统一我们将要用到的相关物理量的定义、符号、单位及相关公式，建立起我们深入学习的平台；归纳和总结物质磁性的宏观表现，明确本课程要解决的问题。这些内容都是最基础的，最常用的，也是大家必须掌握和熟悉的。姜书姜书1.1-1,6节节第一章第一章 磁学基础知识磁学基础知识磁场磁场：在场内运动的电荷会受到作用力的物理场在场内运动

2、的电荷会受到作用力的物理场。 电磁学给出的定义：(见胡有秋等电磁学p202)FqvB F：运动电荷 q 受到的力；q：电荷量； v：电荷运动速度； B 称作磁通密度磁通密度或磁感应强度磁感应强度，是表征磁场方向和大小的物理量。其单位是 ：特斯拉（T = NA-1m-1 = Wbm-2）。 物质的磁化状态：磁化强度矢量空间总磁场是传导电流传导电流和磁化电流磁化电流产生的磁感应强度之矢量和。VMi1.1 磁场、磁性和基本磁学量磁场、磁性和基本磁学量 没有磁介质存在（M = 0）只有传导电流产生的磁场时，表述磁场的两个物理量之间才存在着简单关系： 磁场强度的单位是： 0BH1A m 介质方程介质方程

3、：给出磁化状态和磁场的关系是物质的磁化率，可以是温度或/和磁场的函数。0BHM M：物质的磁化强度； ：真空磁导率：072-10410 N A (H m ) 在上述磁场定义下，磁场强度磁场强度 H 只是作为与磁场中任意点的磁通密度相联系的一个辅助矢量而引入的。HM 磁性是物质的一种基本属性，正像物质具有质量一样，它磁性是物质的一种基本属性，正像物质具有质量一样，它的特征是：物质在非均匀磁场中要受到磁力的作用的特征是：物质在非均匀磁场中要受到磁力的作用。在具有梯度的磁场中，物质受力的大小和方向反映着物质磁性的特征。 磁化率的正负和大小反映出物质磁性的特征。粗略可以分为：（通常人们习惯说有磁物质和

4、无磁物质是不科学的）强磁性强磁性物质：0，例：铁，Fe3O4弱磁性弱磁性物质： 顺磁性物质： 01，例：氧气，铝 抗磁性物质： 0 ， S， J 的取值为：,1,JLS LSLS（共2S+1个值）212121 ., , 1 ,ssssssS212121 ., , 1 ,llllllL如果 L S， J 的取值为：,1,JLS LSSL（共2L+1个值）其总角动量：(1)JPJ J在磁场方向上的投影是量子化的，多值的。此时不能立即给出两个电子的总磁矩。因为总动量矩总动量矩和总磁矩的方向是不重合的和总磁矩的方向是不重合的。(1) , (1) (1) , 2(1)LLBSSBPL LL LPS SS

5、 S显然，合成后的PJ 和 L-S 不在同一方向上，为了得到 J，必须将 L-S投影到PJ 方向上。 cos()cos()JLLJSSJP PP P可以证明：(1)JJBgJ J(1)(1)(1)12 (1)3(1)(1) 22 (1)JJ JS SL LgJ JS SL LJ J JPL SJ 从上面的例子中可以看出，L,S,J 有多种取值方式，这就导致有多个 PJ和J值，它们中的哪一组数值对应于系统的最低能量因而是稳定状态下的取值？洪德洪德依据对原子光谱分析给出了一个经验法则经验法则： 1. 在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数 取最大值。 2. 在满足条件 1 的前提下，总轨道量子数 取

6、最大值。 3. 当电子数未达到电子壳层总电子数的一半时， 总角量子数： 当电子数达到或超过电子壳层总电子数的一半时， 总角量子数取：sSmlLmJLSJLS四、基态的确定四、基态的确定-洪德法则洪德法则 常将原子的量子态用光谱学的方法来标记：21SJL将总自旋量子数、总角量子数的数字填入相应位置即可，总轨道量子数 L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ，分别记为： S, P,D, F, G, H, I,例如：某元素的基态记作：492F即指该元素基态的总自旋量子数：S = 3/2总轨道量子数：L= 3 总角量子数：J = 9/2(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)

7、6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,1. Fe 原子：Z = 26, 电子分布是： 3d6 根据洪德法则1，5个电子自旋占据5个 的 ms 状态，另一个只能占据 的 ms 状态，所以总自旋：12121151222S 210( 1)( 2)224lLmJLS （根据法则 2）（根据法则 3，电子数超过一半）3(1)(1)1.522 (1)(1)6.7JJjBBS SL LgJ JgJ J2(1)4.9SBBS S五、原子磁矩计算举例五、原子磁矩计算举例基态基态5D4 2. Cr+3 离子：Cr 原子 Z = 24

8、，Cr+3 电子组态为 3d3133222103320.4JSLJLSg (1)0.7746JJBBgJ J电子数不到半满，2(1)3.87SBBS S与实验值相比， 更接近，这是因为受到晶场作用，轨道角动量被冻结的缘故，只有自旋磁矩起作用。S(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,基态基态4F3/2黄昆固体物理学p403-404离子磁距计算与实验的比较离子磁距计算与实验的比较4f：符合不错。：符合不错。姜书p34 有相同表3d：只是自旋磁矩的贡献？：只是自旋

9、磁矩的贡献？3d4的J 为零，但有4B磁矩，因为3d电子轨道角动量被冻结 以上关于物质磁性惟一来源于磁矩的观点，统称为磁矩学说，或称为磁偶极矩学说。一个很明确的结论是不存在磁单极。 1931年狄拉克从理论上论证了磁单极子存在的可能性。但至今还未曾从实验上发现磁单极子。电与磁有很多相似的地方, 但麦克斯韦方程组不对称0eDtBE0 BtDjHe0 1931年狄拉克首先提出磁单极子理论使电磁方程组变得对称，0mBtBjEm0而且：（1） （2）不违反物理学的基本规律； （3）还涉及宇宙演化和基本粒子结构等重大科学 问题从理论上探讨了磁单极子的一些重要的 和新的特性。 从实验上探测磁单极子的研究曾进行的轰轰烈烈，上天入地去寻找磁单极子的存在，1975年，1982年，发生过两次被认为是观测到磁单极子的事件。)221(hcnqqem？和做直线运动的电荷e 产生电流 je 和磁场B一样，做直线运动的磁荷 g 也会产生磁流 jm 和电场E，？和做圆周运动的电荷e 产生电流 je 和磁场B一样，做圆周运动的磁荷 g 也会产生磁流 jm 和电场E，？1.1 列表给出主要磁学量的