铁磁物质自发磁化地理论解释1.doc

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1、铁磁物质自发磁化的理论解释摘要：磁性是所有物质的一种基本属性，任何物体都具有某种程度的磁性。对磁性现象的认识和应用可以追溯到很久以前的古代。但是对磁性本身内在规律的研究却是直到十九世纪末才开始的。铁、镍、钻以及他们与其他金属或非金属的合金等物质具有非常高的饱和磁化强度，因此被称为铁磁性物质。铁磁物质的一个最基本的特点就是存在自发磁化现象。即在铁磁体的内部有很多个小区域，在这些小区域内原子磁矩相互平行排列，这些小区域被称为磁畴。当温度升高，自发磁化现象减弱。当温度达到某一特定值时，自发磁化现象就会消失，这时铁磁物质将

2、表现出顺磁性，而这一特定温度就是居里温度。为了解释铁磁物质的自发磁化现象，外斯于1907年提出了自发磁化的分子场理论。1，自发磁化的分子场理论外斯所提出的分子场理论是解释自发磁化的经典理论，由于它的物理图像不涉及到微观本质，所以又被称为唯象理论。外斯理论的主要内容为以下两个基本假说：(1)在铁磁物质内部存在很强的分子场。所以即使没有外加磁场，在分子场的影响下磁体内部的各个小区域也会发生自发磁化。而外磁场的作用就是让各个小区域的磁矩倾向于外磁场的排列。所以，分子场的大小是与物质的自发磁化强度成正比的。这一项假说即是分

3、子场理论。物理学家们在这个基础上建立了解释铁磁性起源的唯象理论。(2)在铁磁体内的自发磁化分为很多个小区域，并且每个小区域都自发磁化达到饱和状态。没有外加磁场时，每个区域内的自发磁化的强度方向是没有规律的，彼此之间相互抵消，因而整个磁体不对外显示铁磁性。在这一假说的基础上物理学家们建立起了磁畴理论，这一理论是研究铁磁性物质磁化的重要理论。“分子场”理论说明了自发磁化的存在及其随温度的变化，并且得到了自发磁化消失的温度（居里点）和居里—外斯定律。这些理论结果都是与实验符合的，这是“分子场”理论的成功之处。然而，“分子

4、场”理论也有很大的缺陷，主要是没有说明“分子场”的本质和没有说明为什么与自发磁化强度成正比，同时在温度很低和靠近居里点的两种情形下，由分子场理论预示的自发磁化强度随温度的变化，并不与实验结果相符。2，自发磁化的量子理论外斯的分子场理论解释了在亚铁磁性、反铁磁性和铁磁性这类磁有序物质中所能够观察到的大部分实验现象，但是这一理论却不能在经典理论的框架内对铁磁性的起源问题给出合理解释。1928年，海森堡把量子力学内电子之间的交换相互作用同电子自旋的相对取向联系起来，提出直接交换相互作用模型，这才从微观本质上正确解释了铁磁

5、性的起源。海森堡交换相互作用模型首先对多原子体系作如下简化:(l)在N个原子组成的体系中，每个原子只有一个对磁性有贡献的电子，并且该电子被局域在这个原子的周围。(2)不考虑原子的极化状态，即不存在两个或两个以上对磁性有贡献的电子处在同一个原子中的情况。因此只需要考虑不同原子间的电子的交换相互作用。交换作用模型唯象地解释了自发磁化的成因，对铁磁学的发展起了决定性的作用。在交换作用模型看来，所谓分子场不过是各原子中电子自旋相互作用的平均效果，因此分子场实质上是交换作用哈密顿取了一级近似。也正是由于分子场理论忽略了交换作

6、用的细节，因此在讨论低温和临界点附近的磁行为时便出现较大的偏差。一个很自然的想法是取更高级的近似，即稍微多考虑一下最近邻自旋的作用，这就是小口方法和BPW方法的基本思想。由于计入了近程作用，在临界点附近的相变行为给出了更好的结果；另一方面，若把自旋结构看成是整体激发，既考虑到交换作用的远程效果，则又可对接近0K的磁行为给出正确的解释，这就是由布洛赫开创的自旋波理论。为了更好的描述整个温度范围的磁行为，以海森伯交换作用哈密顿出发，利用量子场论技术，即格林函数的方法也得到了很好的结果。3，自旋波理论自旋波（SpinWa

7、ve）的概念是1930年布洛赫基于海森伯模型首先提出的。自旋波又称为磁激子，它是固体中一种重要的元激发，它是由局域自旋之间存在交换作用而引起的。自旋波理论从体系整体激发的概念出发，很好的解释了自发磁化在低温下的行为。布洛赫用自旋波理论研究了低温下的自发磁化随温度的变化，得到了著名的T3/2定律。后来霍尔斯坦和普里马科夫采用二次量子化方法对自旋波方法作了补充，导出了自发磁化与温度的关系和顺磁磁化过程公式。戴森成功地解决了自旋波间的散射问题，给出了在略高低温范围内自发磁化的温度修正项。小结：在居里温度以上，分子场理论成

8、功的描述了强磁性物质的自发磁化行为；在居里点附近，小口理论和BPW理论给出了比较好的结果；在低温下，自旋波理论从体系整体激发的概念出发，很好的解释了自发磁化的行为。然而，这些理论并不能解释全部的磁现象，它们都是在一定的近似下给出解释的。因此，人们又进一步发展出了局域电子模型和巡游电子模型理论，局域电子模型在自发磁化与温度的关系以及对居里点高低的估计上比较成功