顺磁性抗磁性铁磁性

原子物理学

顺磁性，抗磁性，铁磁性

指导教师：XXX

专业：XXXX

学号：XXXXXXXXXX

姓名：XXX

XXXX大学

XXXX年X月X日

顺磁性，抗磁性，铁磁性

摘要：

一些物质放在磁场中经过磁化后，它的宏观磁矩方向同磁场方向相反，此类物质称为抗磁性的；另一些物质放在磁场中经过磁化后，它的宏观磁矩方向同磁场方向相同，此类物质称为顺磁性的；而某些物质，如铁、钴、镍以及一些稀土元素和许多氧化物，在受到外磁场磁化后，显出比顺磁性强的很多的磁性，在失去磁场后，还保留磁性，这种现象称为铁磁性。

关键词：顺磁性，抗磁性，铁磁性

一、顺磁性

简介：顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1～3个数量级，X约10^-5～10^-3，遵守Curie定律或Curie-Weiss定律。物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。

定义：顺磁性是一种弱磁性。当分子轨道或原子轨道上有落单的原子或电子时，就会产生顺磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10^-5)，并且随温度的降低而增大。

原理：顺磁性物质可以被看作是由许多微小的磁棒组成的，这些磁棒可以旋转，但是无法移动。这样的物质受到外部磁场的影响后其磁棒主要顺磁力线方向排列，但是这些磁棒互相之间不影响。热振动不断地使得磁棒的方向重新排列，因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。因此磁力线的强度越强顺磁性物质内磁棒的排列性就越强。以上模型当然只是一个简化的模型。实际上顺磁性物质内部并没有小磁棒，而是微观的磁矩。在顺磁性物质中这些磁矩互相之间不影响。然而与铁磁性不同的是在顺磁性物质中外部磁场消失后物质内的磁场立刻就由于热运动消失了。磁化向量与磁场强度成正比

,

物质的磁化率越高，它就越容易被磁化。因此磁化率是衡量顺磁性的强度的量。

由于磁化率和相对磁导率之间有以下简单关系磁导率往往也被看

作是衡量顺磁性的量。假如磁矩之间有耦合的话物质内就会产生磁性有序状态，在这种情况下磁化率会非常复杂，因此这样的物质不再是顺磁性的。总的来说这

样的物质的磁性有序状态在一个阈温度以上会被破坏，由于物质中依然有磁矩，因此在这个温度以上这样的物质呈顺磁性。铁磁性物质均拥有极大的磁化率，但是大的磁化率不一定就说明一个物质是铁磁性的。

分类：从经典物理学出发物质的顺磁性无法完全被解释，只有从量子力学出发这个特征才能被完全理解。对于磁学最重要的认识是一个原子状态的总角动量总是与其磁矩相连的：

在这里是电子自旋g因子，是玻尔磁子。原子的总角动量由以下三部分组成：

1自旋

2电子的角量子数

3核子的核自旋。

核自旋导致的磁矩非常弱，对磁化率基本上没有多少作用，因此这个量一般不被顾及，不过这个量还是可以被测量得到的，医学中使用的核磁共振成像就是测量这个量获得的。

种类：常见的顺磁物质有氧气、金属铂(白金)、一氧化氮、含掺杂原子的半导体{如掺磷(P)或砷(As)的硅(Si)}、由幅照产生位错和缺陷的物质等。还有含导电电子的金属如锂(Li)、钠(Na)等，这些顺磁(性)金属的顺磁磁化率却与温度无关，这种金属的特殊顺磁性是可以用量子力学解释的。

二、抗磁性

简介：抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比值，符号为κ。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一(-10^-6)。

定义：抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向，因此，会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是，对于具有顺磁性的物质，顺磁性通常比较显著，遮掩了抗磁性。

[17] 只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如，惰性气体元素和抗腐蚀金属元素（金、银、铜等等）都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时，抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除，则抗磁性也会遁隐形迹。

原理：抗磁性的成因，是当物质处在外加磁场中，外加磁场使得物质电子轨道（更

精确的讲法：轨域）运动产生改变的连带效应。当施加一外源磁场B时，会对运动中的电子（电荷q）产生了磁力F：F= q v×B。此力改变了电子所受的向心力，使得电子轨道运动或是加速，或是减慢。电子速度因此受到改变，而连带改变了其与外加磁场相反方向上的轨道磁矩。

考虑两个电子轨域：一个顺时针运动，一个逆时针运动。一进入页面方向的外加磁场会使顺时针转动电子的向心力增加，而使其自页面出来方向上的磁矩增加。同样的外加磁场则会使逆时针转动电子的向心力减少，而使其进入页面方向上的磁矩减少。两者的改变都与进入页面方向的外加磁场相抗衡。然而，外加磁场对于多数日常物质所感生的磁矩却非常小，因此净效应会是一种斥力。

所有物质都会对外加磁场作出不同程度的抗磁性反应；但是对于同时拥有其他磁性性质的材料来说（如铁磁性和顺磁性），抗磁性可以完全忽略不计。那些仅仅或者很大程度显示抗磁性的物质被称之为抗磁性材料或者抗磁性子。那些被认为具有抗磁性的材料通常被非物理学家作为非磁性物质看待。它们包括水，DNA，绝大多数有机化合物如石油和一些塑料，和金属如水银（元素），金和铋。

朗之万抗磁性理论

朗之万抗磁性理论可用于解释闭壳层原子构成的物质的抗磁性。强度的磁场作用在电荷量为 e 质量为的电子上，电子受洛伦兹力作用将进行频率为

的拉莫尔进动。单位时间内转动速度为，含个电子的

原子所产生的环状电流为（采用国际单位制）

环状电流产生的磁矩等于电流强度与闭合环包含的面积。假定外场沿轴方

向。平均的环内面积为，其中为电子到轴的均方距离。可知

磁矩为

若电荷分布呈球对称, 可设，其中为电

子到核的均方距离。则。若为单位体

积原子数，抗磁性磁化率为