《B磁性物理基础》PPT课件.ppt

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1、B.磁性物理的基础三、物质的各种磁性物质磁性分类的原则A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？C.是什么相互作用？1.抗磁性：没有固有原子磁矩2.顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用3.铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用4.反铁磁性：有固有磁矩，间(直)接交换相互作用5.亜铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用6.自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，RKKY相互作用7.超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争HM铁磁性顺磁性抗磁性物质在磁场下的行为—磁化曲线可以作为物质磁性分类的方法物质磁性分类的方法：抗磁性：<0在与外磁

2、场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。它出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小。-10-5。顺磁性：>0物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩耒源于未满的电子壳层，但由于热骚动处于混乱状态，在磁场作用下在磁场方向产生磁化强度，但磁化强度很小。10-5-10-2--------物质的磁化率铁磁性：>>0物质中原子有磁矩；原子磁矩之间有相互作用。原子磁矩方向平行排列，导致自发磁化。外磁场作用下，快速趋向磁场方向，在磁场方向有很大的磁化强度。各种磁性的典型M-T,-T关系T顺磁性0TM

3、0混磁性零场冷却磁场冷却MTTc1/c亜铁磁性0c补偿点Tc居里点NT0反铁磁性N耐耳点MT1/Tc铁磁性P0Tc居里点P顺磁居里点0TTfH=0H≠0自旋玻璃Tf冻结温度产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的。在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。它出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小，~-10-5。°e∘iM一、抗磁性每个原子内有z个电子，每个电子有自

4、己的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道绕H进动，进动频率为,称为拉莫尔进动频率。由于轨道面绕磁场H进动，使电子运动速度有一个变化dυ。使电子轨道磁矩增加dm，但方向与磁场H相反，使总的电子轨道磁矩减小。如果q>p/2(电子旋转方向相反),则进动使电子运动速度减小，使在磁场H方向的磁矩减小，所得磁化率仍是负的。总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小，表现出抗磁性。1.1半经典理论：假定电子轨道半径为r(m)的园，磁场H(Am-1)垂直于轨道平面，根据电磁感应定律，将产生电场E(Vm-1)因而电子被电场加速，在时间间隔Δt内速

5、度的变化Δυ由下式给出轨道绕磁场进动但不改变轨道形状，进动的角速度为运动产生的磁矩为a单位体积里含有N个原子，每个原子有Z个轨道电子时，磁化率为：a2是对所有轨道电子运动半径a2的平均。对闭合壳层的情况下，电子分布在半径为a(m)的球表面，r2=x2+y2，而z轴平行于磁场。考虑到球对称，因而1.2金属的抗磁性许多金属具有抗磁性，而且一般其抗磁磁化率不随温度变化。金属抗磁性来源于导电电子。根据经典理论，外加磁场不会改变电子系统的自由能及其分布函数，因此磁化率为零。经典的图象：在外磁场作用下形成的环形电流在金属的边界上反射

6、,因而使金属体内的抗磁性磁矩为表面“破折轨道”的反向磁矩抵消。朗道指出:在量子力学理论内，这个结论是不正确的。他首先证明，外磁场使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的能级，而表现出抗磁性。导电电子在外磁场作用下，运动轨道变为螺旋形状，在垂直于磁场的平面内，产生园周运动。把园周运动分解成两个相互垂直的线偏振周期运动(设分别沿x轴和y轴的周期线性振动，动量p2=p2x+p2y)。这样的线性振子所具有的分立能谱为其中，nv为整数，H为回旋共振频率，可以求出ħH=2BH，正是拉莫尔进动频率的两倍(

7、H

8、=2

9、L

10、)

11、.由于电子沿z轴的运动不受磁场影响，所以总动能这种部分量子化，相当于把H=0的连续谱变成带宽为2mBH的窄带(称为朗道能级)。根据统计物理，能量为En的态的数目为gn个，因而系统相和为其中En为总能量，考虑动量空间计算gn可表示为把z的求和改成在动量空间中的积分，通过计算，最后得到的相和为：l=0l=rl=r+1122m0H0在外磁带H作用下电子能带汇聚成能级的情况。(Z为系统相和)由于kT≫mBH，展开上式，取二项，可得抗磁磁化率n为单位体积电子数。由于热力学势所以可得到上式给出的抗与T有关，这与事实不符，原因是电子气

12、不遵从玻耳兹曼统计，而是服从费密(Fermi)统计。不是所有电子都参与抗磁性作用，只有费密面附近的电子对抗磁性有贡献，因而用n'替换n，得到其中qF为费密面能级EF决定的费密温度。用n'代替n后，得到此时c抗与温度无关，称为朗道抗磁性。金属中的导电电子除具有抗磁性，同时不可分开的还具有顺磁