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1、,第二章 物质磁性分类和原子磁矩,2.1 物质磁性概论磁性分类：按磁化率的正负以及数值大小来区分。 传统意义上分为五大类：抗磁性，顺磁性，铁磁性，亚铁磁性，反铁磁性。此外在一些新材料中还发现有： 混磁性，散反铁磁性，散铁磁性，亚散铁磁性等。,1.抗磁性（1）来源：(a)满壳层电子在外磁场作用下感生出的与外场相反的磁矩。(b) 自由电子在外场运动造成的。（2）数值、正负： （3）与温度的关系：基本与温度无关。（4）例证：NaCl, Cu, Zn，SiO2。,2. 顺磁性（1）来源：具有固有磁矩的离子，因相距较远，则离子间没有或只有很小的相互作用。外磁场的作用，在克服热运动后，在场方向产生微弱的磁
2、化。（2）数值、正负：,（3）与温度关系：EuSiO3（4）例证：O2, NO, Sc, Ti, V, 铁磁性，亚铁磁性高于居里点，反铁磁性高于奈尔点。,3.铁磁性：（1）来源:具有固有磁矩的离子因之间的正的交换作用，使它们的磁矩长程平行的排列。从而存在自发磁化。磁畴的形成，磁化，磁滞。,（2）数值，正负：（3）与温度关系：当温度上升时，自发磁化强度MS减小，至居里温度TC时变为零。TTC时呈现顺磁性，满足居里-外斯定律。,只有很少的几种绝缘化合物有铁磁性： 如：CrBr3, GdCl3, EuO 过渡金属：-Fe,Co,Ni, Gd以及合金。 其磁性属于游行电子铁磁性。,4.反铁磁性：（1）
3、来源：固有磁矩间具有负的交换作用。磁矩间长程的反平行排列。,（2）数值，正负：（3）与温度关系：,大多数过渡金属或稀土金属的氧化物，硫化物，氟化物等都属于反铁磁体。过渡金属 Cr, Mn,-Fe以及部分稀土属于反铁磁体。还有些合金元素。,5 亚铁磁性：（1）来源：具有两个反平行的次点阵。但磁矩不同，故有净磁矩的存在。,（2）数值正负： （3）与温度关系：在Curie温度TC以下，有自发磁化，自发磁化强度一般随温度上升而减小。TTC时呈现顺磁性，但在TC附近与居里-外斯定律偏离较大，在高温时满足居里-外斯定律，但p0,大多数铁氧体材料都是亚铁磁性。 如尖晶石型，石榴石型的。 稀土和过渡金属所组成
4、的合金材料。 区别铁磁性和亚铁磁性的方法是什么？,6.其他磁性：,2.2原子的磁矩,原子磁矩来源于电子轨道磁矩、电子自旋磁矩与核磁矩（较小，可忽略）1 原子中电子的排布：对单电子原子，能量仅与主量子数n有关。,对多电子原子，电子能级不仅与主量子数n有关，而且与角量子数l有关。,原子中电子分布的规律：,1能量最低原理： 占据能量低的状态。2泡利不相容原理： 如一个电子已经占据了能量最低态，则 另一个电子只能占据能量次低态。,由哈特里-福克方程计算得到的能级。,n+0.7L,s,p,d,f,0,1,2,3,2.离子中电子的排布,当原子结合成晶体后，外层电子因受周围原子核场及其他原子的电子的作用，基
5、态能级将有所变化。形成离子时，外层s电子比较容易脱离原子。对过渡族原子变成离子，先失去4s电子，再失去3d电子。对稀土原子变成离子，先失去6s电子，再失去4f电子。,3 孤立原子的磁矩,1） 电子的磁矩：电子自旋磁矩自旋磁矩在外磁场方向上的投影为：,电子轨道磁矩在外磁场方向上的投影为：,2）L-S耦合原子的总角动量矩J由轨道角动量L和自旋角动量S以矢量叠加方式合成。L-S耦合, jj耦合。铁磁性材料中常用的是L-S耦合。原子总自旋角动量在磁场方向的分量其数值有2S+1种可能,原子总轨道角动量在磁场方向的分量其数值为：总角动量：当LS时，当LS时，,（自旋贡献）,（轨道贡献）,3 Hund规则,
6、a) 在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值。b) 在满足(a)条件下，总轨道角动量量子数L取最大值。c)在未满壳层中，电子数小于壳层总电子数一半时，总角动量量子数J=|L-S|；电子数大于或等于壳层总电子数一半时，J=L+S原子（离子）基态光谱项表示方法,举例：（1）Fe2+的基态 3d64s2 Fe2+(失去两个4s电子）6个3d电子的排列：L=2, 根据Hund规则ml 2 1 0 -1 -2ms,Fe2+: S=41/2=2, L=2+1+0-1-2+2=2J=L+S=4基态光谱项：L: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 S P D F G H I K 5D4,(2
7、) Nd3+ 4f45s25p66s2 Nd3+(失去2个6s一个4f电子） 未满壳层为3个4f电子。L=3 ml 3 2 1 0 -1 -2 -3 ms S=3/2, L=6, J=9/2 4I9/2,2.3晶场效应,磁性物质中的磁性离子所受的外场：（1）受核、周围离子等所产生的静电场的作用。（2）磁性离子与近邻离子间电子波函数的重叠，产生的静电的和交换的相互作用。特点:（a）晶场具有与磁性离子所在处相同的对称性。 （b）晶场对晶体中的电子态有很大影响. （c）晶场通过自旋轨道耦合影响晶体中自旋的 取向，从而引起磁晶各向异性。,晶场作用下，磁性离子的哈密顿可表示为：,比较库仑能 晶场能，自旋
8、轨道耦合能的大小,2 各种磁性离子所受晶场的大小,1弱晶场 稀土离子，(如Nd3+ 4f35s25p6)4f 电子受有效核电场作用大。同时 受5s25p6壳层的影响（1.与其他电子发生波函数重叠的几率减小。2.屏蔽作用。） 晶场能102cm-1量级。Hund法则的三条原则都仍然成立。2中等晶场 铁族离子，3d电子受有效核电场作用小，直接暴露在最外，与其他电子波函数重叠几率增加。同时受其他离子的静电场作用大。晶场能 104cm-1量级。 Hund法则的第一条仍然能够成立。,3强晶场Pd族和Pt族离子，（及络合物中一些铁族离子）晶场效应很大，（与交换关联和库仑关联相仿）Hund法则不成立。存在低自
9、旋态。从而使4d和5d族过渡元素只有很小的磁矩。晶场的表示：用磁性离子与周围离子间的静电相互作用势能来表示晶场。磁性离子受最近邻离子的静电势能为,晶场对电子状态的影响：,1）立方晶场中的本征函数 晶场的作用使得磁性离子中电子状态发生变化，其波函数不再是自由离子的单电子波函数，而是由它们的叠加组合而成。 离子的波函数与受到的晶场大小及对称性有关。,例：立方晶场中的3d电子波函数,2）轨道矩的淬灭 3d电子在立方晶场中的电子态的磁量子数为零，则其轨道角动量在磁场方向的投影为零，表明在外磁场作用下不出现轨道磁矩。3）能级分裂不计晶场时，能级简并。计入晶场势后，电子态能量发生变化，能级将产生分裂。,低自旋现象,双重简并eg,三重简并t2g,(能隙库仑作用能）,三重简并t2g,双重简并eg,能隙库仑作用能,库伦能和晶场劈裂能间的竞争,双交换和自旋态转变间的竞争,
