最新第二章 原子的磁性及物质的顺磁性教学讲义PPT.ppt

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1、第二章原子的磁性及物质的顺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说明：电子轨道运动产生的磁矩与角动量在数值上成正比，方向相反。由量子力学知：轨道角动量其中l＝0，1，2…n-1，一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生）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

2、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,……

3、L-S

4、。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。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

5、<2，原子磁矩由轨道磁矩与自旋磁矩共同贡献。∴gJ反映了在原子中轨道磁矩与自旋磁矩对总磁矩贡献的大小。2、原子磁矩μJ在磁场中的取向是量子化的;μJ在H方向的分量为：原子总磁量子数：mJ=J,J-1,……-J，（2J＋1个取值）当mJ取最大值J时，μJ在H方向最大分量为：∴原子磁矩的大小取决于原子总角量子数J。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，∑si→S,J＝S+L发生与原子序数较小的原子中（Z<32）。j－j耦合：各电子轨道运动与本身的自旋相互作用较强，∑(li+si)→ji，∑ji→J，Z>82LS+jj耦

6、合：32

7、L-S

8、；次壳层半满或超过半满时，J＝L＋S第三节稀土及过渡元素的有效波尔磁子一、稀土离子的顺磁性1、稀土元素的特征：1s22s22p63s23p63d1

9、04s24p64d104f0~145s25p65d0~16s2最外层电子壳层基本相同，而内层的4f轨道从La到Lu逐一填充。相同的外层电子决定了他们的共性，但4f电子数的不同导致稀土元素磁性不同。2、La系收缩：指La系元素的原子与离子半径随原子序数的增加而逐渐缩小。3、稀土离子的有效波尔磁子因为受外面5s25p66s2电子的屏蔽作用，稀土离子中的4f电子受到外界影响小，离子磁矩与孤立原子相似。Sm3＋与Eu3+除外，原因是他们不能满足hv>>kBT。二、过渡族元素离子的顺磁性3d（铁族）、4d（钯族）、5d（铂族）、6d（锕族）1、结构特征：过渡元素的磁性来源于d

10、电子，且d电子受外界影响较大。）2、有效玻尔磁子即过渡族元素的离子磁矩主要由电子自旋作贡献，而轨道角动量不作贡献，这是“轨道角动量猝灭”所致。过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，因而不考虑L孤立Fe原子的基态（6.7μB)与大块铁中的铁原子(2.2μB)磁矩不一样。物质中：Fe3＋的基态磁矩为5μBMn2＋5μBCr2＋4μBNi2＋2μBCo2＋3μBFe2＋4μB（有几个未成对电子，就有几个μB）第四节轨道角动量的冻结（晶体场效应）晶体场理论是计算离子能级的一种有效方法，在物理、化学、矿物学、激光光谱学以及顺磁共振中有广泛应用。晶体场理论的基本思想

11、：认为中心离子的电子波函数与周围离子（配位子）的电子波函数不相重叠，因而把组成晶体的离子分为两部分：基本部分是中心离子，将其磁性壳层的电子作量子化处理；非基本部分是周围配位离子，将其作为产生静电场的经典处理。配位子所产生的静电场等价为一个势场——晶体场。晶体中的晶体场效应a、晶体场对磁性离子轨道的直接作用引起能级分裂使简并度部分或完全解除，导致轨道角动量的取向处于被冻结状态。b、晶体场对磁性离子自旋角动量的间接作用。通过轨道与自旋耦合来实现。常温下，晶体中自旋是自由的，但轨道运动受晶体场控制，由于自旋－轨道耦合和晶体场作用的联合效应，导致单离子的磁各向异性。一、