磁性材料第2章磁性的起源.ppt

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1、第一节电子的轨道磁矩和自旋磁矩第二节原子磁矩第三节稀土及过渡元素的有效玻尔磁子第四节轨道角动量的冻结（晶体场效应）第二章磁性的起源第五节合金的磁性第一节电子的轨道磁矩和自旋磁矩物质的磁性来源于原子的磁性，研究原子磁性是研究物质磁性的基础。原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩。原子核磁矩很小，在我们所考虑的问题中可以忽略。电子磁矩（轨道磁矩、自旋磁矩）——→原子的磁矩。即：电子轨道运动产生电子轨道磁矩电子自旋产生电子自旋磁矩构成原子的总磁矩物质磁性的起源一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生）方法：先从波尔原子模型出发求得电子轨道磁矩，再引入量子力学的结果。按波

2、尔原子模型，以周期T沿圆作轨道运动的电子相当于一闭合圆形电流i其产生的电子轨道磁矩：∵轨道动量矩说明：电子轨道运动产生的磁矩与动量矩在数值上成正比，方向相反。由量子力学知：动量矩应由角动量代替：其中l＝0，1，2…n-1，l＝0，即s态，Pl＝0，μl＝0（特殊统计分布状态）如有外场，则Pl在磁场方向分量为：角量子数l＝0，1，2…n-1（n个取值）磁量子数ml＝0、±1、±2、±3∙∙∙∙∙∙±l（2l+1个取值）在填充满电子的次壳层中，各电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，形成一个球体，因此合成的总角动量等于零，所以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些次壳

3、层中的电子——这些壳层称为磁性电子壳层。二、电子自旋磁矩自旋→自旋磁矩实验证明：电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一个μB，取正或取负。总自旋磁矩在外场方向的分量为：计算原子总自旋角动量时，只考虑未填满次壳层中的电子。电子总磁矩可写为：第二节原子磁矩由上面的讨论可知，原子磁矩总是与电子的角动量联系的。根据原子的矢量模型，原子总角动量PJ是总轨道角动量PL与总自旋角动量PS的矢量和：总角量子数：J=L+S,L+S-1,……

4、L-S

5、。原子总角动量在外场方向的分量：总磁量子数：mJ=J,J-1,……-J按原子矢量模型，角动量PL与PS绕PJ进动。故μL与μS也绕PJ进动。

6、μL与μS在垂直于PJ方向的分量(μL)┴与(μS)┴在一个进动周期中平均值为零。∴原子的有效磁矩等于μL与μS平行于PJ的分量和，即：PSPLPJμLμSμJμL-S注：1、兰德因子gJ的物理意义：当L=0时，J=S，gJ=2,均来源于自旋运动。当S=0时,J=L，gJ=1，均来源于轨道运动。当1

7、分量：总角量子数J：J=L+S,L+S-1,……

8、L-S

9、总磁量子数mJ：mJ=J,J-1,……-J1、原子中电子总角动量量子数J的确定：角动量耦合定则（1）、L-S耦合：∑li→L，∑si→S,J＝S+L产生原因：不同电子之间的轨道-轨道耦合和自旋-自旋耦合较强，而同一电子内的轨道-自旋耦合较弱主要存在于原子序数较小的原子中（Z<32），3d、4f族元素的基态或激发态（2）、j-j耦合：，∑(li+si)→ji，∑ji→J产生原因：各电子轨道运动与其本身的自旋相互作用较强主要存在于原子序数较大的原子中（Z>82）以原子的某一壳层包含两个电子为例说明L-S耦合设两电

10、子的轨道角动量量子数分别为l1和l2，自旋量子数分别为s1和s2，则总轨道角动量的量子数L和总自旋量子数S的可取值分别为：L=l1+l2,l1+l2-1,···,l1-l2(设l1>l2)S=s1+s2,s1+s2-1,···,s1-s2(设s1>s2)对于确定的L值，PL和L的绝对值分别为：对于确定的S值，PS和S的绝对值分别为：其中总角动量量子数J可以取以下数值：J=L+S,L+S-1,……

11、L-S

12、（共2S(2L)+1个）NOTE：由总角动量PJ并不能直接给出总磁矩，因为原子的总磁矩的方向与其总角动量的方向并不重合pLpSpJJL-SsL2、原子

13、磁矩J在磁场中的取向也是量子化的;∴原子磁矩的大小取决于原子总角量子数J原子总磁矩J在H方向的分量为：原子总角动量在H方向的分量：总磁量子数mJ：mJ=J,J-1,……-J4、组成分子或宏观物体的原子的平均磁矩一般不等于孤立原子的磁矩。这说明原子组成物质后，原子之间的相互作用引起了磁矩的变化。因此计算宏观物质的原子磁矩时，必须考虑相互作用引起的变化（晶体场的影响）一般按Hund’sRules计算出来的稀土离子的磁矩与实验值符合得较好，而铁族离子的磁矩则与实验值差别较大3、原子中电子的结合大体分三类：L－S耦合：各电子的轨道运动间有较强的相互作用∑li→L，∑