《磁性物理学》课程教学资源（PPT课件讲稿）宏观物质的磁性、磁性体的热力学基础

1.3宏观物质的磁性 原子、离子的磁矩(顺、抗磁) 孤 体 磁晶体结构和晶场类型(自旋、轨道贡献) 配丘 性 相邻原子、电子间的相互作用(磁有序) 天联 研究凝聚态物质各种磁性表现的起因是磁性物理的主要 任务,其中强磁性物质在技术领域有着突岀作用,所以影响 强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的

研究凝聚态物质各种磁性表现的起因是磁性物理的主要 任务，其中强磁性物质在技术领域有着突出作用，所以影响 强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的。 1.3 宏观物质的磁性 固 体 磁 性 原子、离子的磁矩（顺、抗磁） 孤 立 晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献） 配位 相邻原子、电子间的相互作用（磁有序） 关联

物质磁性的分类 为了研究物质磁性的起因,一般按其在磁场中的表现 进行分类,主要依据磁化率的正负、大小及其温度关系, 分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同 随着研究的深入,分类也在不断完善和细化,到上个世纪 70年代为止,在晶状固体里,共发现了五种主要类型的 磁结构物质,它们的形成机理和宏观特征各不相同,对它 们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 上世纪70年代以后,随着非晶材料和纳米材料的兴 起,又发现了一些新的磁性类型,对它们的研究尚在深化 之中

为了研究物质磁性的起因，一般按其在磁场中的表现 进行分类， 主要依据磁化率的正负、大小及其温度关系， 分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。 随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的 磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它 们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴 起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化 之中。 一. 物质磁性的分类

1.抗磁性( Diamagnetism) 这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的 最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小,x<0,|x<1 其磁化强度和磁场强度反向,在不均匀的磁场中被推向磁 场减小的方向,所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是 常数,不随温度、磁场而变化。有少数的反常。 深入研究发现,典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电 磁作用而产生的,因而所有物质都具有一定的抗磁性,但只是 在构成原子(离子)或分子的磁距为零,不存在其它磁性的物 质中,才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁 性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外,传导电 子也具有一定的抗磁性,并造成反常

这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的 最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，<0，  <<1 其磁化强度和磁场强度反向，在不均匀的磁场中被推向磁 场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是 常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。 深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电 磁作用而产生的，因而所有物质都具有一定的抗磁性，但只是 在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物 质中， 才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁 性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电 子也具有一定的抗磁性，并造成反常。 1. 抗磁性（Diamagnetism)

自然界中很多物质都是抗磁性物质:周期表中三分之一的 元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质 包括: 稀有气体:He,Ne,Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属:Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au 不含过渡族元素的离子晶体:NaCl,KBr 不含过渡族元素的共价键化合物:H,CO2,CH4等 几乎所有的有机化合物和生物组织: 水 反常抗磁性物质:Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。 广义地说,超导体也是一种抗磁性物质,x=-1,它的机理 完全不同,不在我们讨论之内

自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的 元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括： 稀有气体：He，Ne，Ar，Kr，Xe 多数非金属和少数金属：Si，Ge，S，P，Cu，Ag，Au 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl，KBr 不含过渡族元素的共价键化合物：H2，CO2，CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水； 反常抗磁性物质：Bi，Ga，Zn，Pb，磁化率与磁场、温度有关。 广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1 ，它的机理 完全不同，不在我们讨论之内

见姜书p25cGS单位制克分子磁化率 体积磁化率 表13惰性气体原子的x抗值(10密度原子量×106 元素 Z 电子组态 x抗(实验) He 1.9 0.2054 0.097 Ne 2 -7.2 6.96 15120.180.43 Ar 18 194 -19.23 1.7739950.85 -28.02 Kr 28.0-29.2 30983.801.03 42.02 5p 43 44.1 3.78131.31.24 注:此表引自S.V. Vonsovskii, Magnetism(1974)。 Kite书数据(2002) 它们的电子壳层都是满壳层,所以原子磁矩为零。 在CGS单位制下,抗磁磁化率的典型值是106cm3mo1。 统一换成体积磁化率的数值,量级是106 换成SI单位制下应乘以4π,量级在105

-1.9 -7.2 -19.4 -28.0 -43 见姜书p25 CGS单位制克分子磁化率 它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。 在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10 -6 cm3 ·mol -1 。 统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6 。 换成 SI 单位制下应乘以4π，量级在10 -5 。 Kittel 书数据（2002） ρ n 0.205 4 0.097 1.51 20.18 0.43 1.77 39.95 0.85 3.09 83.80 1.03 3.78 131.3 1.24  密度 原子量 体积磁化率 ×10-6

一些抗磁性金属在20℃C时的克分子磁化率(CGS单位) 表抗磁性金属在20℃时的原子磁化率 金 属 (10-°) 属 (10°) 5.4 12.36 21.56 [2] 49.05 銅銀金鈹鋅鎘汞硼鲸 -29.59 鲴铊鳍鉛砷銻鉍硒碲 8.9 9.02 -24.86 10.26 5.5 19,6 107 33.8 265 7 26.5 16.8 40.8 见冯索夫斯基《现代磁学》(1953)p74

见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74 一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）： 6 (10 )  6 (10 ) 

2.顺磁性( Paramagnetism) 这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小,0<x<<1 顺磁性物质的磁化率是温度的函数,服从居里定律或居里- 外斯( Curie- Waiss)定律。 C称作居里常数, x x 或:x T+T T称作居里顺磁温度 服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性,这个温度之下,表现为其它性质。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子 或离子),具有一定的磁矩,是无规分布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外,传导电子也具有一定的顺磁 性

这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0<<<1。 顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里- 外斯（Curie-Waiss)定律。 C T   = p p C C T T T T      或： C 称作居里常数， Tp 称作居里顺磁温度 服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性，这个温度之下，表现为其它性质。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子 （或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁 性。 2. 顺磁性（Paramagnetism）

顺磁性物质也很多,常见的顺磁性物质: 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属:Mn,Cr,W, La,Nd,Pt,Pa等 含有以上元素的化合物:MnSO4,FeCl3,FeSO,Gd2O2 等 碱金属和碱土金属:Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca a, Sr, Ba 包含有奇数个电子的原子或分子 HCl,NO等,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物: O2,有机物中的双自由基等

顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn，Cr，W， La，Nd，Pt，Pa等 含有以上元素的化合物：MnSO4，FeCl3，FeSO4，Gd2O3 等 碱金属和碱土金属：Li，Na，K，Ru，Cs，Mg，Ca， Sr，Ba 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl，NO等，有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2，有机物中的双自由基等

3.铁磁性( Ferromagnetism) 这是人类最早发现并利用的强磁性,它的主要特征是: x>0,磁化率数值很大,x≈10-10 2.磁化率数值是温度和磁场的函数; 3.存在磁性转变的特征温度——居里温度Tc,温度低于居里 温度时呈铁磁性;高于居里温度时表现为顺磁性,其磁化 率温度关系服从居里-外斯定律。 x 4.在居里温度附近出现比热等性质的反常 5.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数,存在磁滞效应 构成这类物质的原子也有磁矩,但宏观表现却完全不同 于顺磁性,解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战 之一,虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论, 但仍有很多问题有待后人去解决

这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是： 1. >>0，磁化率数值很大， 2. 磁化率数值是温度和磁场的函数； 3. 存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里 温度时呈铁磁性；高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化 率温度关系服从居里-外斯定律。 4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。 5. 磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。 构成这类物质的原子也有磁矩，但宏观表现却完全不同 于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战 之一，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论， 但仍有很多问题有待后人去解决。 p C T T    0 5   10  10 3. 铁磁性（Ferromagnetism)

表现为铁磁性的元素物质只有以下几种: 些过渡族元素和稀土元素金属: 物质 Fe Co Ni Gd Tb Dy Ho Er Tm fccPr fccNd Tc(K)10431403631293.4219.5892020328.7 5.7 室温以上,只有4种元素是铁磁性的。 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的,它 们构成了铁磁性材料的主体,在技术上有着重要作用,例如: Fe-Ni( Permalloy坡莫合金)Fe-Si,Fe-CO, AINICo, CrO2, Euo, GdCl3

表现为铁磁性的元素物质只有以下几种： 一些过渡族元素和稀土元素金属： 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它 们构成了铁磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni (Permalloy坡莫合金), Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2 , EuO, GdCl3 , 室温以上，只有4种元素是铁磁性的