磁性材料第2章磁性的起源.ppt

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1、第一節(jié)電子的軌道磁矩和自旋磁矩第二節(jié)原子磁矩第三節(jié)稀土及過(guò)渡元素的有效玻爾磁子第四節(jié)軌道角動(dòng)量的凍結(jié)（晶體場(chǎng)效應(yīng)）第二章磁性的起源第五節(jié)合金的磁性第一節(jié)電子的軌道磁矩和自旋磁矩物質(zhì)的磁性來(lái)源于原子的磁性，研究原子磁性是研究物質(zhì)磁性的基礎(chǔ)。原子的磁性來(lái)源于原子中電子及原子核的磁矩。原子核磁矩很小，在我們所考慮的問(wèn)題中可以忽略。電子磁矩（軌道磁矩、自旋磁矩）——→原子的磁矩。即：電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子軌道磁矩電子自旋產(chǎn)生電子自旋磁矩構(gòu)成原子的總磁矩物質(zhì)磁性的起源一、電子軌道磁矩（由電子繞核的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生）方法：先從波爾原子模型出發(fā)求得電子軌道磁矩，再引入量子力學(xué)的結(jié)果。按波

2、爾原子模型，以周期T沿圓作軌道運(yùn)動(dòng)的電子相當(dāng)于一閉合圓形電流i其產(chǎn)生的電子軌道磁矩：∵軌道動(dòng)量矩說(shuō)明：電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩與動(dòng)量矩在數(shù)值上成正比，方向相反。由量子力學(xué)知：動(dòng)量矩應(yīng)由角動(dòng)量代替：其中l(wèi)＝0，1，2…n-1，l＝0，即s態(tài)，Pl＝0，μl＝0（特殊統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài)）如有外場(chǎng)，則Pl在磁場(chǎng)方向分量為：角量子數(shù)l＝0，1，2…n-1（n個(gè)取值）磁量子數(shù)ml＝0、±1、±2、±3??????±l（2l+1個(gè)取值）在填充滿(mǎn)電子的次殼層中，各電子的軌道運(yùn)動(dòng)分別占了所有可能的方向，形成一個(gè)球體，因此合成的總角動(dòng)量等于零，所以計(jì)算原子的軌道磁矩時(shí)，只考慮未填滿(mǎn)的那些次殼

3、層中的電子——這些殼層稱(chēng)為磁性電子殼層。二、電子自旋磁矩自旋→自旋磁矩實(shí)驗(yàn)證明：電子自旋磁矩在外磁場(chǎng)方向分量等于一個(gè)μB，取正或取負(fù)。總自旋磁矩在外場(chǎng)方向的分量為：計(jì)算原子總自旋角動(dòng)量時(shí)，只考慮未填滿(mǎn)次殼層中的電子。電子總磁矩可寫(xiě)為：第二節(jié)原子磁矩由上面的討論可知，原子磁矩總是與電子的角動(dòng)量聯(lián)系的。根據(jù)原子的矢量模型，原子總角動(dòng)量PJ是總軌道角動(dòng)量PL與總自旋角動(dòng)量PS的矢量和：總角量子數(shù)：J=L+S,L+S-1,……

4、L-S

5、。原子總角動(dòng)量在外場(chǎng)方向的分量：總磁量子數(shù)：mJ=J,J-1,……-J按原子矢量模型，角動(dòng)量PL與PS繞PJ進(jìn)動(dòng)。故μL與μS也繞PJ進(jìn)動(dòng)。

6、μL與μS在垂直于PJ方向的分量(μL)┴與(μS)┴在一個(gè)進(jìn)動(dòng)周期中平均值為零。∴原子的有效磁矩等于μL與μS平行于PJ的分量和，即：PSPLPJμLμSμJμL-S注：1、蘭德因子gJ的物理意義：當(dāng)L=0時(shí)，J=S，gJ=2,均來(lái)源于自旋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)S=0時(shí),J=L，gJ=1，均來(lái)源于軌道運(yùn)動(dòng)。當(dāng)1

7、分量：總角量子數(shù)J：J=L+S,L+S-1,……

8、L-S

9、總磁量子數(shù)mJ：mJ=J,J-1,……-J1、原子中電子總角動(dòng)量量子數(shù)J的確定：角動(dòng)量耦合定則（1）、L-S耦合：∑li→L，∑si→S,J＝S+L產(chǎn)生原因：不同電子之間的軌道-軌道耦合和自旋-自旋耦合較強(qiáng)，而同一電子內(nèi)的軌道-自旋耦合較弱主要存在于原子序數(shù)較小的原子中（Z<32），3d、4f族元素的基態(tài)或激發(fā)態(tài)（2）、j-j耦合：，∑(li+si)→ji，∑ji→J產(chǎn)生原因：各電子軌道運(yùn)動(dòng)與其本身的自旋相互作用較強(qiáng)主要存在于原子序數(shù)較大的原子中（Z>82）以原子的某一殼層包含兩個(gè)電子為例說(shuō)明L-S耦合設(shè)兩電

10、子的軌道角動(dòng)量量子數(shù)分別為l1和l2，自旋量子數(shù)分別為s1和s2，則總軌道角動(dòng)量的量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的可取值分別為：L=l1+l2,l1+l2-1,···,l1-l2(設(shè)l1>l2)S=s1+s2,s1+s2-1,···,s1-s2(設(shè)s1>s2)對(duì)于確定的L值，PL和?L的絕對(duì)值分別為：對(duì)于確定的S值，PS和?S的絕對(duì)值分別為：其中總角動(dòng)量量子數(shù)J可以取以下數(shù)值：J=L+S,L+S-1,……

11、L-S

12、（共2S(2L)+1個(gè)）NOTE：由總角動(dòng)量PJ并不能直接給出總磁矩?，因?yàn)樵拥目偞啪氐姆较蚺c其總角動(dòng)量的方向并不重合pLpSpJ?J?L-S?s?L2、原子

13、磁矩?J在磁場(chǎng)中的取向也是量子化的;∴原子磁矩的大小取決于原子總角量子數(shù)J原子總磁矩?J在H方向的分量為：原子總角動(dòng)量在H方向的分量：總磁量子數(shù)mJ：mJ=J,J-1,……-J4、組成分子或宏觀(guān)物體的原子的平均磁矩一般不等于孤立原子的磁矩。這說(shuō)明原子組成物質(zhì)后，原子之間的相互作用引起了磁矩的變化。因此計(jì)算宏觀(guān)物質(zhì)的原子磁矩時(shí)，必須考慮相互作用引起的變化（晶體場(chǎng)的影響）一般按Hund’sRules計(jì)算出來(lái)的稀土離子的磁矩與實(shí)驗(yàn)值符合得較好，而鐵族離子的磁矩則與實(shí)驗(yàn)值差別較大3、原子中電子的結(jié)合大體分三類(lèi)：L－S耦合：各電子的軌道運(yùn)動(dòng)間有較強(qiáng)的相互作用∑li→L，∑