1、鐵磁性 鐵磁性Ferromagnetism過渡族金屬如鐵及它們的合金和化合物所具有的磁性叫做鐵磁性，這個名稱的由來是因為鐵是具有鐵磁性物質中最常見也是最典型的。釤(Samarium)，釹(neodymium)與鈷的合金常被用來制造強磁鐵。 鐵磁理論的奠基者，法國物理學家P.-E.外斯于1907年提出了鐵磁現象的唯象理論。他假定鐵磁體內部存在強大的“分子場，即使無外磁場，也能使內部自發地磁化；自發磁化的小區域稱為磁疇，每個磁疇的磁化均到達磁飽和。實驗說明，磁疇磁矩起因于電子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力學方法計算了鐵磁體的自發磁化強度，給予外斯的“分子場以量子力學解釋。1930

2、年F.布洛赫提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認為鐵磁性來源于不配對的電子自旋的直接交換作用。鐵磁性材料存在長程序，即磁疇內每個原子的未配對電子自旋傾向于平行排列。因此，在磁疇內磁性是非常強的，但材料整體可能并不表達出強磁性，因為不同磁疇的磁性取向可能是隨機排列的。如果我們外加一個微小磁場，比方螺線管的磁場會使本來隨機排列的磁疇取向一致，這時我們說材料被磁化1。材料被磁化后，將得到很強的磁場，這就是電磁鐵的物理原理。 當外加磁場去掉后，材料仍會剩余一些磁場，或者說材料"記憶"了它們被磁化的歷史。這種現象叫作剩磁，所謂永磁體就是被磁化后，剩磁很大。 當溫度很高時，由于

3、無規那么熱運動的增強，磁性會消失，這個臨界溫度叫居里溫度(Curie temperature)。 如果我們考察鐵磁材料在外加磁場下的機械響應，會發現在外加磁場方向，材料的長度會發生微小的改變，這種性質叫作磁致伸縮(magnetostriction)。 產生鐵磁性條件：鐵磁質的自發磁化：鐵磁現象雖然發現很早，然而這些現象的本質原因和規律，還是在本世紀初才開始認識的。1907年法國科學家外斯系統地提出了鐵磁性假說，其主要內容有：鐵磁物質內部存在很強的“分子場，在“分子場的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發磁化至飽和，稱為自發磁化；鐵磁體自發磁化分成假設干個小區域(這種自發磁化至飽和的小區域稱

4、為磁疇)，由于各個區域(磁疇)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。外斯的假說取得了很大成功，實驗證明了它的正確性，并在此根底上開展了現代的鐵磁性理論。在分子場假說的根底上，開展了自發磁化spontaneous magnetization理論，解釋了鐵磁性的本質；在磁疇假說的根底上開展了技術磁化理論，解釋了鐵磁體在磁場中的行為。鐵磁性材料的磁性是自發產生的。所謂磁化過程(又稱感磁或充磁)只不過是把物質本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質提供磁性的過程。實驗證明，鐵磁質自發磁化的根源是原子(正離子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一

5、樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態是產生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀態有四個空位，鈷的3d狀態有三個空位，鎳的3d 態有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁矩，理論上鐵有4B，鈷有3B，鎳有2B。可是對另一些過渡族元素，如錳在3d態上有五個空位，假設同向排列，那么它們自旋磁矩的應是5B，但它并不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀態(d或f態)是產生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產生鐵磁性不僅僅在于元素的原子磁矩是否高，而且還要考慮形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個條件。根據鍵合理論可知

6、，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對于過渡族金屬，原子的3d的狀態與s態能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態電子的再分配。這種交換便產生一種交換能Eex(與交換積分有關)，此交換能有可能使相鄰原子內d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。量子力學計算說明，當磁性物質內部相鄰原子的電子交換積分為正時(A0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現自發磁化。這就是鐵磁性產生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應，其本質仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好似強磁場一樣。外斯分子場就是這樣得名的。理論計算證明，交換積分A不僅與電子運動狀態的波函數有關，而且強

7、烈地依賴子原子核之間的距離Rab (點陣常數)，如圖5-13所示。由圖可見，只有當原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大于3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發磁化的條件。鉻、錳的A是負值，不是鐵磁性金屬，但通過合金化作用，改變其點陣常數，使得Rab /r之比大于3，便可得到鐵磁性合金。綜上所述，鐵磁性產生的條件：原子內部要有末填滿的電子殼層；及Rabr之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結構。根據自發磁化的過程和理論，可以解釋許多鐵磁特性。例如溫度對鐵磁性的影響。當溫度升高時，原子間距加

8、大，降低了交換作用，同時熱運動不斷破壞原子磁矩的規那么取向，故自發磁化強度Ms下降。直到溫度高于居里點，以致完全破壞了原子磁矩的規那么取向，自發磁矩就不存在了，材料由鐵磁性變為順磁性。同樣，可以解釋磁晶各向異性、磁致伸縮等。具有鐵磁性的元素：到目前為止,僅有四種金屬元素在室溫以上是鐵磁性的，即鐵，鈷，鎳和釓，極低低溫下有五種元素是鐵磁性的，即鋱、鏑、鈥、鉺和銩居里溫度分別為：鐵768,鈷1070,鎳376,釓20反鐵磁性 概念解析在原子自旋磁矩受交換作用而呈現有序排列的序磁材料中,如果相鄰原子自旋間因受負的交換作用,自旋為反平行排列，那么磁矩雖處于有序狀態(稱為序磁性)，但總的凈磁矩在不受外場

9、作用時仍為零。這種磁有序狀態稱為反鐵磁性。注：這種材料當加上磁場后其磁矩傾向于沿磁場方向排列，即材料顯示出小的正磁化率。但該磁化率與溫度相關，并在奈爾點有最大值。用主要磁現象為反鐵磁性物質制成的材料，稱為反鐵磁材料。反鐵磁性是指由于電子自旋1反向平行排列。在同一子晶格中有自發磁化強度，電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發磁化強度大小相同，方向相反，整個晶體 。反鐵磁性物質大都是非金屬化合物，如MnO。 不管在什么溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質的任何自發磁化現象，因此其宏觀特性是順磁性的，M與H處于同一方向，磁化率為正值。溫度很高時，極小；溫度降低，逐漸增大

10、。在一定溫度時， 達最大值。稱為反鐵磁性物質的居里點或尼爾點。對尼爾點存在的解釋是：在極低溫度下，由于相鄰原子的自旋完全反向，其磁矩幾乎完全抵消，故磁化率 幾乎接近于0。當溫度上升時，使自旋反向的作用減弱，增加。當溫度升至尼爾點以上時，熱騷動的影響較大，此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。 反鐵磁性物質置於磁場中，其鄰近原子之磁矩相等而排列方向剛好相反，因此其磁化率為零。許多過渡元素之化合物都有這種反鐵磁性。物質之磁矩是由其內每一原子內之電子之自旋，及軌道運動所產生之磁矩和及原子間之交互作用之和。利用物質之磁矩對中子磁矩作用產生之繞射現象，可以測定物質內原子磁矩之分布方向和次序。利用中子繞射

11、而測得之MnF2和NiO二種反鐵磁性物質之磁矩結構。在MnF2反鐵磁性物質中，Mn離子其3d軌道未飽和之電子受到磁場磁化之磁矩依面心立方晶格Fcc而分布，因在每一角落上離子之磁矩都是同一方向。而在其立方面上之離子磁矩都在同一相反方向。其向量和等于零，因而此種物質之磁化率，X等于零。物質在磁場中之取向效應受到熱沖動的抵抗，因而其磁化率隨溫度而變。當溫度等于某一溫度尼爾溫度Neel Temperature時，反鐵磁物質的磁化率會稍微上升，當溫度超過尼爾溫度TN時，那么反鐵磁性物質之磁性近于順磁性。順磁性paramagnetism 順磁性物質的磁化率為正值，比反磁性大13個數量級，X約10-510-

12、3，遵守Curie定律或Curie-Weiss定律。物質中具有不成對電子的離子、原子或分子時，存在電子的自旋角動量和軌道角動量，也就存在自旋磁矩和軌道磁矩。在外磁場作用下，原來取向雜亂的磁矩將定向，從而表現出順磁性。 順磁性是一種弱磁性。順磁(性)物質的主要特點是原子或分子中含有沒有完全抵消的電子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之間并無強的相互作用(一般為交換作用)，因此原子磁矩在熱騷動的影響下處于無規(混亂)排列狀態，原子磁矩互相抵消而無合磁矩。但是當受到外加磁場作用時，這些原來在熱騷動下混亂排列的原子磁矩便同時受到磁場作用使其趨向磁場排列和熱騷動作用使其趨向混亂排列，因

13、此總的效果是在外加磁場方向有一定的磁矩分量。這樣便使磁化率(磁化強度與磁場強度之比)成為正值，但數值也是很小,一般順磁物質的磁化率約為十萬分之一(10-5)，并且隨溫度的降低而增大。常見的順磁物質有氧氣、金屬鉑(白金)、一氧化氮、含摻雜原子的半導體如摻磷(P)或砷(As)的硅(Si)、由幅照產生位錯和缺陷的物質等。還有含導電電子的金屬如鋰(Li)、鈉(Na)等，這些順磁(性)金屬的順磁磁化率卻與溫度無關，這種金屬的特殊順磁性是可以用量子力學解釋的。順磁性雖是一種弱磁性，但也有其重要的應用，例如，從順磁物質的順磁性和順磁共振可以研究其結構，特別是電子組態結構；利用順磁物質的絕熱退磁效應可以獲得約

14、1-10-3K的超低溫度，這是一種產生超低溫度的重要方法；在順磁性和順磁共振根底上開展起來的順磁微波量子放大器，不但是早期研制和應用的一種超低噪聲的微波放大器，而且也促進了激光器的研究和創造，在生命科學方面，如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結合時為順磁性，但在同氧結合后便轉變為抗磁性，這兩種弱磁性的相互轉變就反映了生物體內的氧化和復原過程，因而其磁性研究成為這種重要生命現象的一種研究方法；如果目前醫學上有著重要應用的核磁共振成像技術開展到電子順磁共振成像技術，可以預料利用這一技術便可顯示生物體內順磁物質(如血紅蛋白和自由基等)的分布和變化，這會在生命科學和醫學上得到重要的應用。簡而言之：電子自旋產

15、生磁場，分子中有不成對電子時，各單電子平行自旋，磁場加強。這時物質呈順磁性。 抗磁性diamagnetism 抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發生變化，而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。這樣表示物質磁性的磁化率便成為很小的負數(量)。磁化率是物質在外加磁場作用下的合磁矩(稱為磁化強度)與磁場強度之比值，符號為。一般抗磁(性)物質的磁化率約為負百萬分之一(-10-6)。常見的抗磁物質：水、金屬銅、碳(C)和大多數有機物和生物組織。抗磁物質的一個重要特點是磁化率不隨溫度變化。物質抗磁性的應用主要有：由物質的磁化率研究相關的物質

16、結構是磁化學的一個重要研究內容；一些物質如半導體中的載(電)流子在一定的恒定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發生抗磁共振(常稱盤旋共振)，由此可測定半導體中載流子(電子和空穴)的符號和有效質量；由生物抗磁(性)組織的磁化率異常變化可推測該組織的病變(如癌變)。 核磁共振譜中的抗磁性。它是由于原子核外電子環流的作用使物質具有的磁特性。當所產生的磁性作用在與外加磁場相反的方向時產生屏蔽，那么稱為抗磁性。如物質中存在不配對電子時，那么出現順磁性，而且可超過任何的抗磁性。屏蔽與去屏蔽取決于核相對任一感生磁場的方向，故稱為各向異性效應。抗磁性各向異性是由和電子云內的環流引起的。 一般而言,分子中無不成

17、對電子時,物質呈抗磁性1970年，瑞典皇家科學院決定把該年度的諾貝爾物理學獎授予瑞典物理學家阿爾芬及法國物理學家奈爾，因為阿耳芬在磁流體及等離子體方面作出了重大奉獻，而奈爾那么因在反鐵磁和亞鐵磁方面的重要發現和根底研究而獲獎的。奈爾，1904年11月22日出生于法國里昂，他在物理學中的主要奉獻除發現反鐵磁性和鐵氧磁體外，還在物理磁性的其它方面做了一些重要工作，如微粒的磁性，磁性輸運，磁體內局部散磁場、超反鐵磁性等。我們今天主要介紹它所發現的反鐵磁性與亞鐵磁性。     大約到了本世紀三十年代初，人們對反磁性、順磁性和鐵磁性已得到滿意的說明。1932年，奈

18、爾發現根據磁矩間相互作用又很自然地說明了另一種鐵磁體的磁性，即反鐵磁性，按照奈爾的理論，在反鐵磁體中磁矩存在兩套排列方式。我們知道，鐵磁體磁化時，各個組成原子的磁矩傾向于按同一方向排列，即平行于外磁場的方向排列，因此鐵磁體的總磁矩就等于所有組成原子的磁矩之和。如果也把鐵磁體中磁矩分成兩套排列方式的話，這兩套磁矩具有相同的排列方式。如圖a；對于反鐵磁體中的兩套磁矩，它們是相間排列的，每套磁矩排列是完全一致的，相鄰磁矩排列卻是反平行的，兩套磁矩大小幾乎一樣，因此其總的磁矩也幾乎為零，如圖b。鐵磁性、反鐵磁性與亞鐵磁性磁矩排列示意圖1948年，奈爾又根據他的理論成功地解釋了亞鐵性的磁化規律，奈爾認為，在亞鐵磁體磁化時，兩套磁矩的排列也是相反的，但兩套磁矩的大小不相等，沿某一方向排列的磁矩較大，沿相反方向排列的磁矩較小如圖c，