磁性材料第2章磁性的起源.ppt

,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：,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)0，1，2n-1，,l0，即s態(tài)，Pl0，l0（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)l0，1，2n-1（n個(gè)取值）磁量子數(shù)ml0、1、2、3l（2l+1個(gè)取值）在填充滿電子的次殼層中，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)，只考慮未填滿的那些次殼層中的電子這些殼層稱為磁性電子殼層。,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)B，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)，只考慮未填滿次殼層中的電子。電子總磁矩可寫為：,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,|L-S|。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L與S也繞PJ進(jìn)動(dòng)。,L與S在垂直于PJ方向的分量(L)與(S)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L與S平行于PJ的分量和，即：,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<gJ<2，原子磁矩由軌道磁矩與自旋磁矩共同貢獻(xiàn)。gJ反映了在原子中軌道磁矩與自旋磁矩對(duì)總磁矩貢獻(xiàn)的大小。,由上面的討論可知，原子磁矩總是與電子的角動(dòng)量聯(lián)系起來(lái)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：,原子總角動(dòng)量在外場(chǎng)方向的分量：,總角量子數(shù)J：J=L+S,L+S-1,|L-S|,總磁量子數(shù)mJ：mJ=J,J-1,-J,1、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：liL，siS,JS+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（Z82）,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,|L-S|（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,pL,pS,pJ,J,L-S,s,L,2、原子磁矩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,-J,4、組成分子或宏觀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HundsRules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：LS耦合：各電子的軌道運(yùn)動(dòng)間有較強(qiáng)的相互作用liL，siS,JS+L發(fā)生與原子序數(shù)較小的原子中（Z82LS+jj耦合：32<Z>kBT。二、過(guò)渡族元素離子的順磁性3d（鐵族）、4d（鈀族）、5d（鉑族）、6d（錒族）1、結(jié)構(gòu)特征：過(guò)渡元素的磁性來(lái)源于d電子，且d電子受外界影響較大。）,2、有效玻爾磁子即過(guò)渡族元素的離子磁矩主要由電子自旋作貢獻(xiàn)，而軌道角動(dòng)量不作貢獻(xiàn)，這是“軌道角動(dòng)量猝滅”所致。,過(guò)渡元素的原子或離子組成物質(zhì)時(shí)，軌道角動(dòng)量?jī)鼋Y(jié)，因而不考慮L孤立Fe原子的基態(tài)（6.7B)與大塊鐵中的鐵原子(2.2B)磁矩不一樣。物質(zhì)中：Fe3的基態(tài)磁矩為5BMn25BCr24BNi22BCo23BFe24B（有幾個(gè)未成對(duì)電子，就有幾個(gè)B）,第四節(jié)軌道角動(dòng)量的凍結(jié)（晶體場(chǎng)效應(yīng)）,晶體場(chǎng)理論是計(jì)算離子能級(jí)的一種有效方法，在物理、化學(xué)、礦物學(xué)、激光光譜學(xué)以及順磁共振中有廣泛應(yīng)用。晶體場(chǎng)理論的基本思想：認(rèn)為中心離子的電子波函數(shù)與周圍離子（配位子）的電子波函數(shù)不相重疊，因而把組成晶體的離子分為兩部分：基本部分是中心離子，將其磁性殼層的電子作量子化處理；非基本部分是周圍配位離子，將其作為產(chǎn)生靜電場(chǎng)的經(jīng)典處理。配位子所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)等價(jià)為一個(gè)勢(shì)場(chǎng)晶體場(chǎng)。,晶體中的晶體場(chǎng)效應(yīng)a、晶體場(chǎng)對(duì)磁性離子軌道的直接作用引起能級(jí)分裂使簡(jiǎn)并度部分或完全解除，導(dǎo)致軌道角動(dòng)量的取向處于被凍結(jié)狀態(tài)。b、晶體場(chǎng)對(duì)磁性離子自旋角動(dòng)量的間接作用。通過(guò)軌道與自旋耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。常溫下，晶體中自旋是自由的，但軌道運(yùn)動(dòng)受晶體場(chǎng)控制，由于自旋軌道耦合和晶體場(chǎng)作用的聯(lián)合效應(yīng)，導(dǎo)致單離子的磁各向異性。,一、晶體場(chǎng)劈裂作用考慮到晶體場(chǎng)與LS耦合作用，晶體系統(tǒng)的哈密頓量為：,等式中間第一項(xiàng)為第i個(gè)電子的動(dòng)能，第二項(xiàng)為電子勢(shì)能，第三項(xiàng)為原子內(nèi)電子的庫(kù)侖相互作用，第四項(xiàng)為自旋軌道相互作用，第五項(xiàng)為中心離子與周圍配離子產(chǎn)生的晶場(chǎng)間相互作用。,采用簡(jiǎn)并態(tài)微擾法可計(jì)算系統(tǒng)的微擾能量，為此，須求解方程：,弱晶場(chǎng),與自由原子（離子）一樣，滿足洪特規(guī)則。稀土金屬及其離子屬于此中等晶場(chǎng),、,仍滿足洪特規(guī)則，但晶體場(chǎng)V(r)首先對(duì)軌道能量產(chǎn)生影響，即能級(jí)分裂，簡(jiǎn)并部分或完全消除。含3d電子組態(tài)的離子的鹽類屬于此強(qiáng)晶場(chǎng),不滿足洪特規(guī)則，導(dǎo)致低自旋態(tài)。發(fā)生于共價(jià)鍵晶體和4d,5d,6d等過(guò)渡族化合物。,二、軌道角動(dòng)量的凍結(jié)由于晶場(chǎng)劈裂作用，簡(jiǎn)并能級(jí)出現(xiàn)分裂，可能出現(xiàn)最低軌道能級(jí)單態(tài)，當(dāng)單態(tài)是最低能量的軌道時(shí)，總軌道角動(dòng)量絕對(duì)值L2雖然保持不變，但是其分量Lz不再是運(yùn)動(dòng)常量。當(dāng)Lz的平均值為零，即時(shí)，就稱為軌道角動(dòng)量的凍結(jié)。一個(gè)態(tài)的磁矩是磁矩=(Lz+2Sz)，當(dāng)Lz的平均值為零時(shí)，對(duì)于整個(gè)磁性，軌道磁矩不作貢獻(xiàn)。（單態(tài)簡(jiǎn)并度為1（簡(jiǎn)并度由2l+1決定)簡(jiǎn)并度解除2l+1=1。所以l=0時(shí)為單態(tài)。）離子的軌道角動(dòng)量?jī)鼋Y(jié)程度取決于軌道簡(jiǎn)并度解除的程度。,第五節(jié)合金的磁性,一、鐵磁性合金按其組成可分為三類：1.由鐵磁性金屬組成，如：FeNi、FeCo。任何成分下都有鐵磁性。2.由鐵磁性金屬與非鐵磁性金屬或非金屬組成合金，如：FeSiAl、CoCr等。在一定范圍內(nèi)有鐵磁性。由非磁性金屬組成的合金，如：MnCrAl、MnBi。只在很窄的范圍內(nèi)由鐵磁性。,鐵磁性合金的磁性質(zhì)與其各組元的磁性及合金相圖有密切關(guān)系。其磁矩就來(lái)源于合金中可以自由游移于鄰近各原子間的外層電子(與孤立原子的磁矩不同）,Slater-Pauling曲線表征周期表上相鄰的元素組成的合金平均磁矩與外層電子數(shù)的關(guān)系。曲線的解釋可用能帶模型：在不同電子濃度的鐵磁性合金中，電子補(bǔ)充或減少各能帶中的電子分布，從而改變合金的磁性。,如：Fe：2B2.2BCo：1.1B1.7BNi：0B0.6B其磁疇結(jié)構(gòu)由交換作用的漲落決定。稀土過(guò)渡金屬合金呈亞鐵磁性或鐵磁性，以薄膜形式應(yīng)用。磁結(jié)構(gòu)為散亞鐵磁性或散鐵磁性，由各項(xiàng)異性漲落決定。過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬合金有微弱的磁性其磁結(jié)構(gòu)也由交換作用的漲落決定。,二、非晶態(tài)磁性合金分三類：過(guò)渡金屬類金屬合金（TM）由80%的Fe(Co、Ni)與Si、C、B、P（類金屬）組成，有強(qiáng)鐵磁性，以薄帶形式應(yīng)用。其磁矩主要來(lái)自于過(guò)渡金屬，但磁矩隨類金屬元素含量增加而下降，所以比晶態(tài)過(guò)渡金屬中相應(yīng)的原子磁矩小。,