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抗磁性与顺磁性 本章内容基本磁学性能抗磁性与顺磁性铁磁体与反铁磁性磁性的材料与分析 朗道（1908～1968）苏联著名的物理学家。最著名的贡献有“朗道十诫”：量子力学中的密度矩阵和统计物理学(1927)；自由电子抗磁性的理论(1930)；二级相变的研究(1936～1937)；铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释(1935)；超导体的混合态理论(1934)；原子核的几率理论(1937)；氦Ⅱ超流性的量子理论(1940～1941)；基本粒子的电荷约束理论(1954)；费米液体的量子理论(1956)；弱相互作用的CP不变性(1957)。因凝聚态特别是液氦的先驱性理论，被授予1962年诺贝尔物理学奖。 第二节抗磁性与顺磁性物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用 1.物质磁性的分类一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。磁化率：材料的磁化强度M与外磁场强度H的比值。它的大小反映了物质磁化的难易程度，也是对物质磁性分类的主要依据。 磁体的分类抗磁体顺磁体反铁磁体铁磁体亚铁磁体磁化率为甚小的负常数，约为10-6数量级磁化率为正常数，约为10-3~10-6数量级磁化率为甚小的正常数，当T高于某个温度时，其行为像顺磁体。磁化率为很大的正变数，约为10~106数量级过渡族金属贵金属，稀土金属，碱金属如α-Mn、铬、氧化镍、氧化锰等铁、钴、镍类似铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大四氧化三铁等弱磁体强磁体 MH铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料五类磁体的磁化曲线0 第二节抗磁性与顺磁性物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用 2.物质的抗磁性外加磁场所感生的轨道矩改变抗磁性TORH抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下毫不例外地具有的一种属性，大多数物质的抗磁性因为被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。 产生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Lenz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。 郎之万顺磁性理论每个原子内有z个电子，每个电子有自己的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道绕H进动，进动频率为ω，称为Lamor进动频率。由于轨道面绕磁场进动，使电子运动速度有一个变化⊿v，电子轨道磁矩增加⊿μ，但方向与磁场相反，使总的电子轨道磁矩减小。总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小，表现出抗磁性。 无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩△m都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。一个电子在外加磁场H的作用下，产生的的抗磁矩为式中，负号表示△ml与H的方向相反;分母me为电子质量一个原子常有z个电子，每个电子都要产生抗磁矩，由于电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩为任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性，与温度、外磁场无关。从广义上来说，超导也是一种抗磁性。 第二节抗磁性与顺磁性物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用 物质的顺磁性主要源于原子内部存在永久磁矩。3.物质的顺磁性顺磁性描述的是一种弱磁性，它呈现出正的磁化率，大小为10-6~10-3.C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。TOTO顺磁性的磁化率满足以下规律：少部分大部分表示在某一个温度之上才显示顺磁性 郎之万顺磁性理论理论的基本概念：顺磁性物质的原子间无相互作用（类似于稀薄气体状态），在无外场时各原子磁矩在平衡状态下呈现出混乱分布，总磁矩为零，当施加外磁场时，各原子磁矩趋向于H方向。顺磁磁化过程示意图(a)无磁场(b)弱磁场(c)强磁场 顺磁体的分类正常顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体存在反铁磁体转变的顺磁体磁化率服从居里定律或居里–外斯定律。对于存在铁磁转变的物质，在居里点以上服从居里–外斯定律。稀土金属，在居里点以上的铁磁金属等。碱金属等。过渡族金属及其合金或它们的化合物。反铁磁体当温度高于尼尔点（TN）时，表现为顺磁体。 第二节抗磁性与顺磁性物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用 4.金属的抗磁性与顺磁性①金属的抗磁性——朗道抗磁性按照经典理论，传导电子是不可能出现抗磁性的。因为外加磁场（由于洛伦兹力垂直于电子的运动方向）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。另一经典的图象：在外磁场作用下形成的环形电流在金属的边界上反射,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，不显示抗磁性。 1930年朗道最早指出，在量子力学理论内，这个结论是不正确的。他首先证明，外磁场作用下的回旋运动使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的能级，正是这种量子化引起了导体能量随磁场强度的变化，从而表现出抗磁性。这种量子化的能级被后人称为朗道能级，由于存在朗道能级而产生的抗磁性称作朗道抗磁性。固体物理“在恒定磁场中电子的运动”一节中已经解释了这种能量量子化的起因，并且以此解释了磁化率随磁场倒数呈周期性变化的现象（德·哈斯-范阿尔芬效应）。具体内容这里不再重复，下面两张图生动地反映了朗道能级以及随磁场的变化。 能级宽度随磁场变化 定性说明：黄昆书p266～268能量上升能量不变能量上升至最大能量上升又开始下降 如果把电子看成符合经典统计的自由粒子，同样用类似2.2节中的方法，可以得出抗磁磁化率的表达式：（详见姜书p42-43）N为单位体积电子数。上式给出的与T有关，这与事实不符，原因是电子气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了抗磁性作用，只有费密面附近的电子才会对抗磁性有所贡献。传导电子的抗磁磁化率 其中TF为费密面能级EF决定的费密温度。用N’代替N后，得到此时的磁化率与温度无关，称为朗道抗磁性。金属中的导电电子除具有抗磁性外，还同时具有不可分开的顺磁性。索末菲电子论告诉我们，能参与贡献的电子数为N’, ②金属的顺磁性——泡利顺磁性 小结 第二节抗磁性与顺磁性物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用 5.影响材料抗磁性与顺磁性的因素在外磁场作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩；离子的固有磁矩产生顺磁矩，固有磁矩来自于未相互抵消的自旋磁矩；自由电子的主要贡献是顺磁性。 1.原子结构的影响惰性气体：抗磁性非金属：除氧气、石墨外，都是抗磁性金属：复杂，与在周期表中所处的位置相关 2.温度的影响抗磁性：在相变温度（熔化、凝固、同素异构转变）影响抗磁磁化率；顺磁性：影响很大。居里定律居里-外斯定律 3.相变及组织转变的影响当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时，也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。 加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显。加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使材料的抗磁性减弱。例如，当高度加工硬化时，铜可以由抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性重新得到恢复。 4.合金成分与组织的影响合金由不同元素和形式组成时对磁性会有很大的影响，形成固溶体合金时磁化率因原子之间结合的改变而有较明显的变化通常，由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化，如Al-Cu合金的α固溶体等。由抗磁金属为溶剂、强顺磁金属(或铁磁金属)为溶质形成固溶体时，情况则比较复杂。当固溶体合金有序化时，由于溶剂、溶质原子呈现有规则的交替排列，使原子之间结合力随之改变，因而导致合金磁化率发生明显变化。 合金形成中间相(金属化合物)时，其磁化率将发生突变。中间相结构中由于自由电子数减少，几乎无固有原子磁矩，所以中间相的抗磁性很高。当形成两相合金时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。 Cu-Zn合金的磁化率磁化率随合金成分变化规律 第二节物质的抗磁性与顺磁性物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用 6.测量及应用1）用磁秤法测量磁化率磁称结构原理示意图皮埃尔·居里发明，主要用于弱磁性测量。磁秤法的优点：①不仅适合弱磁性的测量，也适用于铁磁性的测量；②可进行连续测量，如可对加热和冷却过程中的组织的变化及合金的相分析进行跟踪研究。 2）抗磁与顺磁分析的应用材料研究：通过磁化率的变化来分析合金组织的变化，以及这些变化与温度和成分之间的关系。(1)确定合金相图中的最大溶解度曲线原理：单相固溶体的顺磁性与两相混合组织的顺磁性不同，且混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律。 (2)研究合金的分解对于顺磁性合金，可以通过磁化曲线的改变研究其分解的情况。这个方法很适于用来研究铝合金时效不同阶段的情况，对于研究奥氏体钢与铸铁用得也较多，可以测出奥氏体钢中的微量铁素体。例：研究含铜量5%的铝合金淬火后的分解情况。测定磁化率还可以用于研究材料有序无序转变、同素异构转变与确定再结晶温度等。 小结抗磁性与顺磁性的特点物理本质郎之万顺磁性理论弱磁性的测量方法 六年级科学分类总复习（参考）地球与空间科学 地球与空间主要了解太阳、地球、月球、星空太阳是银河系中一颗普通的恒星，大约有50亿岁了，太阳是一个旋转的高密度炽热气体球，大部分气体是氢气，其次是氦气，每秒钟大约“燃烧”400万吨氢，产生巨大的能量。太阳的结构从内到外依次是日核、辐射层、对流层、光球层。太阳的表面温度大约是6000℃，内部温度大约是1500万℃。太阳的表面经常会出现太阳黑子、耀斑和日珥。太阳的直径为139万千米，是地球的109倍。太阳的体积是地球的130万倍。太阳的质量是地球的33万倍。 产生影子的条件是要有光和不透明的物体。太阳和影子的关系：物体的影子总是在物体背光的一面。一天中，正午影子最短，早晨和傍晚影子最长。一年中正午影子长度，夏至日最短，冬至日最长。皮影艺术表演形式是利用了影子的原理。 古代的计时工具有沙漏、日晷、水钟和圭表等。人们根据一天中阳光下物体影子的变化规律，制作了计时仪器，叫做日晷。日晷由晷针和晷面两部分组成。圭表是中国古代重要的天文仪器之一，古人利用圭表度量正午的日影长度来判断冬至日、夏至日及其他节气。 地球是个很大的球体。它的半径约为：6400千米，赤道周长为4万千米。16至17世纪:葡萄牙航海家麦哲伦首次完成了环球航行；哥伦布发现了美洲新大陆。生活中能证明地球是球体的事例：①观察海上驶来的船，总是先看到桅杆，后看到船身。②每天看到太阳从东方升起，西方落下。③观察月食时，发现落在月球上的地球的影子是圆形的。④观察星星在天空中的位置，总是东升西落。 地球表面积约为5.1亿平方千米，其中陆地占29℅；海洋占71℅。四大洋：太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋。七大洲：亚洲、欧洲、非洲、南美洲、北美洲、大洋洲、南极洲。2.地球的模型是（地球仪）。在地球仪上用不同的（符号）和（色彩）表示，使人们更好地了解地球。在地球仪表面上，有许多纵横交错的弧线。其中连接两极的线，叫（经线），指示（南北）方向；与经线相交的线叫（纬线），指示（东西）方向。（赤道）是中间最大的纬线圈，它把地球分为南半球和北半球。3.根据地面接受太阳光线的（照射）情况，人们把地球分为五带分别为：热带、南温带、北温带、南寒带、北寒带。 地球内部由地壳、地幔、地核组成。地球内部有煤、石油、火山喷发物、金属矿藏等物体。地球从表面到中心可以划分为三层，分别是地壳、地幔、地核。地核是地球的核心部分，温度约为4700摄氏度。 火山是地球内部炽热岩浆上升形成。地下的岩层在压力的作用下会发生变形。当受到的力，大到不能承受时，岩层就会发生突然的、快速的断裂。岩层断裂所产生的地震波传到地表就会引起地表的震动，这就是地震。卵石是由于岩石的风化和流水的不断冲刷形成。岩石由矿物组成。聚集在一起具有开采价值的矿物称矿产。煤、石油、天然气等属于能源矿产，铁矿石、铜矿石等属于金属矿产；石英、石膏属于非金属矿产。 月球是地球的卫星，它自西向东围绕地球公转，公转一周的时间大约是农历的一个月。月球本身并不发光，靠反射太阳光才发亮。月球围绕地球转动的同时，地球又带着月球绕太阳转。因此，月球被太阳照亮的一面就会有时面向地球，有时背向地球，有时部分向着地球，月相变化就是这样产生的。月球是个球体，是离地球最近的一个天体，月球表面高低不平。 昼夜交替现象是由于地球自转形成的。地球自西向东绕地轴不停地旋转着，这就是地球的自转。地球自转一周的时间大约是24小时。地球绕着太阳自西向东公转。地球公转时，地轴是倾斜的，而且倾斜方向保持不变。地球公转一周的时间为一年，称为地球的公转周期。地球公转产生四季变化。 地球表面形态是不断变化的。火山、地震等地球内部运动，使地表变得高低不平；地球外部运动，地球的外部作用使高低不平的地表形态趋于平坦。人类活动也改变着地表形态。如填海造田、开挖河道等。京杭大运河是中国古代一项伟大的水利工程。破坏地表形态：沙漠化扩大，水土流失。保护地表：不过量抽取地下水、停止毁林开荒、恢复天然牧场等。 人们为了便于观察和研究星空，把星空划分成很多区域，这些区域称为星座。全天共分为88个星座。春季星空的代表星座是狮子座；夏季星空的代表星座是天蝎座；秋季星空的代表星座是仙后座；冬季星空的代表星座是猎户座。大熊星座是北方天空中最醒目、最重要的星座。大熊星座中的七颗亮星组成一个勺子的形状，这就是著名的北斗七星。“斗柄指东，天下皆春；斗柄指南，天下皆夏；斗柄指西，天下皆秋，斗柄指北，天下皆冬。观察南天时，我们的左边是东，右边是西。观察北天时，我们的左边是西，右边是东。