原子的磁性及物质的顺磁性
物质顺磁性和抗磁性的产生原因
物质顺磁性和抗磁性的产生原因顺磁性和抗磁性的原因磁性是物质的一种基本属性。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质～抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质 ( 参考文献1 )。
从上面的介绍看出，任何物质都会显示磁性，并且物质从顺磁性到反磁性、磁性从强到弱是逐渐变化的，没有一个明显的界限。
物质的磁性到底是怎么产生的，本文就此观点提出我自己的看法。
一、现在的理论给人们带来的疑惑1、顺磁性:现在人们认为，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。
在晶体中～电子的轨道磁矩受晶格的作用～其方向是变化的～不能形成一个联合磁矩～对外没有磁性作用。
因此～物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起～而是主要由自旋磁矩引起。
每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。
是原子磁矩的单位。
因为原子核比电子重2000倍左右～其运动速度仅为电子速度的几千分之一～故原子核的磁矩仅为电子的千分之几～可以忽略不计。
( 参考文献2 ) 我认为上面这段论述是不合理的，我们都知道，原子是由原子核和核外电子组成，原子核又是由质子和中子组成，原子核的体积约为原子体积的几千万亿分之一,(半径约为原子的十万分之一 ).打个比方,原子相当于足球场那么大,而原子核则只有一只蚂蚁那么大。
,参考文献 3,。
电子的质量约为质子质量的1/1836 ( 参考文献4 )。
中子能够通过β衰变过程变成质子、电子和反中微子～ (参考文献5 )。
从这些论述可想而知，电子的体积会有多大，电子的体积不会超过质子和中子体积的千分子一。
即从电子的角度来看原子，原子就象是一个非常巨大的宇宙一样。
由于电子的体积很小很小，即使电子自旋产生的磁场较强，它影响的范围必然很小很小，不可能影响到原子以外，因此电子自旋产生的磁场在宏观上是显示不出来的，如果能显示出来，电子产生的磁场就强大的无法想象了。
上面还提到原子核的磁矩很小，可以忽略，这个观点我觉得也是错误的，人们现在只是从质量上去考虑对磁矩的影响，而把其它因素忽略了，比方说原子核的体积。
什么是顺磁性材料
什么是顺磁性材料
顺磁性材料是指在外加磁场作用下，材料中的磁矩方向与外磁场方向相同，即
与外磁场方向一致，这种材料叫做顺磁性材料。
顺磁性材料是一种特殊的磁性材料，它在外加磁场下会产生磁化现象。
这种磁
化是由材料内部的原子或分子的磁矩在外加磁场下重新排列而产生的。
顺磁性材料的磁化方向与外磁场方向一致，而且磁化强度随外磁场的增加而增加，随外磁场的减小而减小。
这种磁性特性使得顺磁性材料在许多领域都有着重要的应用价值。
顺磁性材料主要包括一些金属、合金和化合物，比如铝、铜、银、金等金属，
以及氧化铁、氧化铝、氧化铜等化合物。
这些材料在外加磁场下都会表现出顺磁性。
顺磁性材料在生活和工业中有着广泛的应用。
比如在医学领域，顺磁性材料被
用于磁共振成像（MRI）中，利用其在外磁场下的磁化特性来获取人体内部的影像信息。
在电子领域，顺磁性材料被用于制造电子元器件和磁存储材料，以及在磁记录和磁传感器中也有着重要的应用。
此外，在矿产勘探、环境监测、材料制备等领域，顺磁性材料也都发挥着重要的作用。
总的来说，顺磁性材料是一类在外加磁场下表现出磁化特性的材料，具有重要
的应用价值。
它们在医学、电子、矿产勘探等领域都有着广泛的应用前景，对于推动科学技术的发展和社会的进步起着重要的作用。
希望通过对顺磁性材料的研究和应用，能够进一步拓展其在各个领域的应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
原子的磁矩、顺磁性和抗磁性
,
如果
,
二 J有 J l
L
一
S
,
如 果 电 子 个数 超过 次 壳层 满额 的 半数
。
就有
J
二
I 十 S
J
。
据 此 可 以 直 接 计 算 出原 子 基 态 的 磁 矩
,
在 附表 中 列 举 了 常 见 的稀 上 族 离 子 和 铁 族 离 子 的 电子 壳 层填充 倩 况 和 洪特 定则 计 算 出来 的 以 自 然 单位表 示 的原 子 磁矩 值
1
:
_ 一
`
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I
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0
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扭
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一、
)
—
1
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L
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2 m
T
IM I
,
按 照右手娜旋 规 则 以 垂直轨道 平 面 的矢 量 来表 示 此 面 积
_
则有
:
寸
才飞
l
。
t Q l
=
另外
,
电子 轨道运 动形 成一个闭 合 电 流
一
几
—
=
2
价 止
U
:
,
O
几
下犷
。
式 中负号表示 电子 电荷 为 负
,
M 与 B 的 作用 大 当 求 平 均值 时
,
M
M , 迅速地 绕着 M , 旋 动
, , ;
,
而 M 本 身则 以 较慢 的速 度 绕 着 对能 里 △ E 有 贡献
△E
,
`
B旋 动
,
只有M
:
M 沿 M 方 向 的 分 凰才 会
磁性物理学第一章物质磁性概述-磁性物理
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
原子`离子的磁矩(顺`抗磁)
姜书 p115
7. 超顺磁性（Superparamagnetism）
当铁磁颗粒减小到临界尺寸以下(1~10 nm)，微粒的各 向异性能远小于热运动能量，微粒的磁化矢量不再有确定的 方向时，铁磁粒子的行为类似于顺磁性一样。这些磁性颗粒 系统的总磁性叫做超顺磁性。普通顺磁性是具有固有磁矩的 原子或分子在外磁场中的取向，而超顺磁性是均匀磁化的单 畴粒子的原本无序取向的磁化矢量在外磁场中的取向。每 个单畴粒子包含较大数目的原子所以有大得多的磁矩。
一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：
(106 )
(106 )
见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74
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<<<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。
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p25
CGS单位制克分子磁化率
体积磁化率
密度 原子量 ×10-6
ρn
-1.9
0.205 4
0.097
-7.2
1.51 20.18 0.43
-19.4
1.3 宏观物质的磁性
原子、离子的磁矩（顺、抗磁）
固
体
晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献）
磁
【原子物理 大连理工】第6节 抗磁性、顺磁性和铁磁性
磁化率：
o J (J 1)g2B2
H
3KT
o J 2 （一个原子磁化率）
3KT
磁化率与绝对温度成反比，与实验得到的居里定律一致。
综合（1）（2），得到一个原子的磁化率：
0Ze2
r2
0
2 J
6m
3kT
对于 J0 的原子在磁场作用下有顺磁性也有抗磁性。在室温下，顺磁性磁 化率比抗磁性磁化率大2或3个数量级，物体表现出顺磁性。
为什么铁磁质有这么大的磁性？因为它存在磁畴。
磁畴是铁磁质中已经存在的许多自发的均匀磁化小区域。
未加外磁场之前，各个磁畴有各不相同的取向，对 外的效果相互抵消；加外磁场之后，各磁畴的磁矩 方向向外磁场转动，对外就显示较强的宏观磁性。
铁磁质中起主要作用的是电子的自旋磁矩。电子自旋磁矩可以不靠外磁场、在小 范围内取得一致方向而形成磁畴。
当达到热平衡时原子的分布服从波尔兹曼分布率2具有磁矩的原子在磁场中各种取向的平均效果产生宏观磁性cos就平均效果来说平均磁矩与外磁场同方向表现出顺磁性
§6.6 抗磁性、顺磁性和铁磁性
抗磁性：磁矩为零的原子构成的物体，在磁场中磁化后，物体的宏观磁性与 外磁场相反。
顺磁性：具有磁矩的原子构成的物体，在磁场中磁化后，物体的宏观磁性与 外磁场相同。
M l Bsin
L
l
Pl
B
B
Pl
µl
旋进角动量与外磁场同方向，与旋
进角动量相应的轨道磁矩（感应磁
矩）与外磁场方向相反。
Pl
感应磁矩是抗磁性的来源。 µl
dPl
L
l
Pl
B
电子轨道旋进频率：
L
1
2
l
顺磁性的概念
顺磁性的概念顺磁性是一种物质在外加磁场作用下产生的磁响应现象。
顺磁性材料表现出随外加磁场的增强而磁化程度增加的特点。
顺磁性材料中的原子、离子或分子具有未成对的电子，这些电子的自旋自由度以及轨道自由度与外加磁场相互作用，导致了材料的磁性。
顺磁性现象的发现和解释对于深入理解物质的特性以及在磁学、材料科学和生物医学等领域的应用具有重要意义。
顺磁性材料的磁化程度与外加磁场强度呈正比，但相对于铁磁性材料，顺磁性材料的磁化程度较小。
这是因为顺磁性材料中未成对电子的相互作用较弱，磁场容易破坏电子自旋的排布。
顺磁性材料中的未成对电子在外加磁场作用下，其自旋与磁场方向的关系决定了磁化方向。
当磁场方向与自旋相符时，顺磁性材料的磁化程度增强；当磁场方向与自旋相反时，顺磁性材料的磁化程度减弱。
顺磁性材料的磁响应行为可以用磁化率来描述，在外加磁场作用下，顺磁性材料的磁化率与温度、材料的物理性质密切相关。
顺磁性材料的磁化率随温度升高而减小，这是因为在高温下，材料的热运动削弱了自旋与磁场的相互作用。
此外，顺磁性材料的磁化率还受到材料的组织结构、晶格畸变、晶界效应等因素的影响。
顺磁性材料在磁共振成像、磁性质量计和磁性记录等领域有广泛的应用。
在磁共振成像中，顺磁性材料通过外加磁场的作用来产生磁共振信号，可以被用于对人体组织的观测和诊断。
磁性质量计则利用了顺磁性材料在外加磁场下的磁化程度与其质量之间的关系，可以用于测量微小物体的质量。
此外，在磁性记录中，顺磁性材料的磁化状态可以通过外加磁场的控制来改变，用于信息的存储和读取。
总之，顺磁性是一种物质在外加磁场作用下产生的磁响应现象，顺磁性材料中的未成对电子在外加磁场作用下发生磁化，其磁化程度与磁场强度呈正比关系。
顺磁性现象的研究对于物质特性的深入理解和在各领域的应用具有重要意义。
对于顺磁性材料的更深入研究和应用将为科学研究和技术发展带来新的机遇和挑战。
(整理)磁学现象与物质的磁性
磁学现象与物质的磁性人们很早就发现磁性材料具有特殊的功能特性。
公元前3世纪，《吕氏春秋·精通篇》中就出现“石，铁之母也。
以有磁石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也”的记载，叙述了磁性材料可以吸引特定的物质，如铁等。
在战国末期韩非所著的《有度篇》中已出现“故先王以立司南以端前夕”的记载；而在东汉王充的《论衡·是应篇》中出现了“司南之勺，投之于地，其柢指南”的记载，叙述了磁性材料具有南北极，可以指示南北方向的特性。
北宋沈括所著的《梦溪笔谈》中已有制作指南针的详尽描述，明朝《萍洲可谈》中出现船舶在苏门答腊海中航行时应用指南针的详细记载，叙述了磁性材料的应用。
在欧洲，人们在小亚细亚的Magnesia 地区发现了磁铁矿，因而人们把磁石叫做Magnet 。
人们虽然很早就发现了磁性的存在，但对磁性现象本质的认识却经历了相当长的时间。
1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第发现了电磁感应定律以及楞次发现的楞次定律，人们才逐渐揭开了磁性的奥秘。
随着原子结构的被揭露，尤其是量子力学的成就，人们对目前磁性的物理本质才有了一个大体满意的解释。
一、磁及磁现象的根源是电荷的运动1.1 一些基本的磁现象当电流通过一条导线，生成一个方向由右手定则指示的磁场。
如果大拇指指示正向电流I 的方向，四指就指示磁场B 的方向。
如果一条载流的长导线被卷成圆筒形，环绕圆筒线圈可观察到一个磁场；磁场的形状具有环环相叠的圆柱对称性，它的方向由右手定则规定。
此时，四指指示电流方向，拇指给出线圈内部的磁场方向。
外部的磁场具有圆环对称性。
而地球磁场源自地球熔融铁核的流动。
这种流动才使图中罗盘针的黑端指示出地理北极的方向。
假定一根棒状磁体按图1-3从一个线圈内部向外移开，在线圈绕组的两端可检测到一个电压脉冲。
电压源自线圈内磁力线的变化。
感生电压遵从Lenz 定律—如果线圈内的磁力线发生变化，由此在线圈内感生的电压是这样的．由它产生的电流决定的磁场与初始的变化方向相反。
顺磁性物质的名词解释
顺磁性物质的名词解释引言：人类探索自然界的奥秘始于远古，而对物质的认知则伴随着科学的进步不断深化。
在这个科技高度发达的时代，我们对物质的了解也日趋精确，其中一个重要的领域就是顺磁性物质。
本文将对顺磁性物质进行一系列的解释和探讨，带领读者走进这个神秘而迷人的领域。
一、顺磁性物质的概念顺磁性物质是一种在外加磁场的作用下，原子或分子中未成对电子受到磁场的作用而表现出磁性的物质。
与顺磁性物质相对的是抗磁性物质，抗磁性物质在外加磁场下不表现出磁性特征。
顺磁性物质在自然界广泛存在，包括氧气、铁、镍等多种物质。
二、顺磁性物质的原子结构顺磁性物质的磁性主要源于其原子及分子中存在的未成对电子。
未成对电子具有自旋，而自旋是导致磁矩产生的关键因素。
在顺磁性物质中，处于基态的原子中存在未成对电子，这些未成对电子受到外加磁场时会发生自旋翻转，从而导致磁矩的改变。
三、顺磁性物质的磁化行为顺磁性物质在外加磁场下，未成对电子的自旋会调整其方向以尽量减少能量。
当磁场加大时，未成对电子自旋的方向与外磁场的方向逐渐一致，从而使顺磁性物质磁化。
磁化的程度取决于顺磁性物质的特性以及外磁场的强度。
四、顺磁性物质的应用顺磁性物质的磁性特性使其在许多领域得到广泛应用。
在医疗领域，顺磁性物质被用于磁共振成像（MRI）技术中作为对比剂，帮助医生观察人体组织和器官的病变情况。
此外，顺磁性物质还可以用于磁性存储器件中，提供磁记录和读取功能。
在材料科学领域，顺磁性物质的研究有助于开发新型材料和电子器件。
五、顺磁性物质的挑战和前景尽管顺磁性物质在各个领域都展现出了巨大的潜力，但是其应用仍然面临一些挑战。
首先，顺磁性物质的制备和纯化需要高度精确的技术和设备，不低于现代科技的要求。
其次，顺磁性物质在应用中可能会受到外界干扰和环境变化的影响，这需要进一步的研究和改进。
然而随着科学技术的不断进步，我们对顺磁性物质的理解和应用将会更加深入，为人类创造更多的可能性。
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.存在反铁磁体转变的顺磁体 过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类 顺磁体。它们都有一定的转变温度，称为反铁磁居 里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN时，它们 和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞0； 当温度低于TN时，它们的χ随T的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的 磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性， 以及自由电子的抗磁性与顺磁性。 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子 的顺磁性源于原子的固有磁矩。 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩， 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而 作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场 反向。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
铁磁学 第二章 原子的磁性及物质的顺磁性
、
e2 V (r ) L i Si rij
仍满足洪特规则，但晶体场V(r)首先对轨道能量产 生影响，即能级分裂，简并部分或完全消除。 含3d电子组态的离子的盐类属于此 3. 强晶场
e2 V (r ) L i Si rij
μL
μJ μL-S
μS
3 J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) J J ( J 1) B 2 J ( J 1)
3J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) 令：g J 2 J ( J 1) 则： J＝g J J ( J 1) B
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。
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： PJ H J H J cos J H J PJ mJ J g J mJ B J J 1 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：
构成原子 的总磁矩
物质磁性 的起源
一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生） 由量子力学知：轨道角动量 P l l (l 1)
l e e l Pl Pl 2m 2m e 令 l ，轨道磁力比 2m 则： l l Pl
为什么一些物体具有磁性而其他物体没有？
为什么一些物体具有磁性而其他物体没有？磁性是一种物质特性，具有磁性的物体可以被磁场所吸引或排斥。
然而，并非所有物体都具有磁性，这涉及到物质的微观结构和原子水平的相互作用。
下面我将详细解释为什么一些物体具有磁性而其他物体没有。
首先，要了解为什么一些物体具有磁性，我们需要认识到磁性与物质的电子结构密切相关。
在原子层面上，一个原子的磁性可以归因于其电子的角动量和自旋。
电子具有一个自旋磁矩，它就像一个微小的磁铁，产生磁场。
当这些自旋磁矩在一个物体中相互排列并协同作用时，就会表现出磁性。
具有磁性的物质通常包括两类：铁、镍、钴等称为铁磁性材料，以及一些碱土金属氧化物或过渡金属氧化物等称为顺磁性材料。
这些物质之所以具有磁性，是因为它们的电子结构使得它们的原子或离子的自旋磁矩在外加磁场的作用下可以有序地排列，并形成一个宏观的磁矩，从而表现出磁性。
对于铁磁性材料，例如铁，其电子结构中存在未成对电子，这些未成对电子的自旋磁矩可以相互耦合形成更大的磁矩，从而使整个物质具有磁性。
而顺磁性材料中的未成对电子的自旋磁矩则在外加磁场作用下朝向磁场方向对齐，增强了整体的磁矩。
与此不同，其他物质可能没有未成对电子或电子结构不利于自旋磁矩的形成，因此它们不具有磁性。
例如，大部分非金属物质，如木材、塑料等，它们的电子结构很稳定，电子成对排布，没有未成对电子可形成磁矩。
除了电子结构的因素外，温度也对物质的磁性起着重要影响。
在高温下，材料中的原子或离子的热运动会破坏磁矩的排列，导致磁性消失。
这就解释了为什么在高温下，即使是具有磁性的物质，也可能表现出非磁性的行为。
总结一下，为什么一些物体具有磁性而其他物体没有，主要取决于物质的电子结构和相互作用。
具有未成对电子、能够形成自旋磁矩的物质通常会表现出磁性，而没有这些特性的物质则不具有磁性。
深入理解物质的磁性将有助于我们更好地利用和应用磁性材料，并推动科学技术的发展。
材料物理性能
一、名词解释1.顺磁体：原子内部存在永久磁矩，无外磁场，材料无规则的热运动使得材料没有磁性，当外磁场作用，每个原子的磁矩比较规则取向，物质显示弱磁场，这样的磁体称顺磁体。
2.铁磁体：在较弱的磁场内，铁磁体也能够获得强的磁化强度，而且在外磁场移去，材料保留强的磁性。
原因是强的内部交换作用，材料内部有强的内部交换场，原子的磁矩平行取向，在物质内部形成磁畴，这样的磁体称铁磁体。
3.金属热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。
4.内耗：对固体材料内在的能量损耗称为内耗。
5.磁致伸缩效应：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象。
6.磁畴：指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。
7.软磁材料：软铁被磁化后，磁性容易消失，称为软磁材料。
8.亚铁磁体：磁体中存在大小不等反平行的自旋磁矩，磁矩大小部分抵消，因而磁体仍然可以自发磁化，类似于铁磁体。
这种磁体称为亚铁磁体。
9.磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、磁壁的类型与厚度的总称。
10.磁滞回线：当磁化磁场作周期的变化时，表示铁磁体中的磁感应强度与磁场强度关系的一条闭合曲线。
二、问答题1.对于一根具体的导线而言，影响它的导电因素有哪些？答：对于一根具体的导线而言，导电过程分两部分，包括最外电子脱离正离子实和之后的在晶格中运行，所以，影响导电性包括这两部分的影响因素。
(1) 从导电定律关系式中可以看出一个电子的电荷是固定的数值，n有效决定于金属的晶体结构及能带结构，而电子自由运行时间或电子平均自由程则决定于在外电场作用下，电子运动过程中所受到的散射。
(2) 电子在金属中所受到的散射可用散射系数μ来表述。
μ的来源有两方面，一是温度引起离子振动造成的μT，二是各种缺陷及杂质引起晶格畸变造成的μn。
μ=μT+μn相应地电阻为：ρ=ρT+ρn(3) 由温度造成的晶格动畸变和由缺陷造成的晶格静畸变，两者都会引起金属电阻率增大。
2.什么是西贝克（Seeback）效应？它是哪种材料的基础？答：西贝克效应是由于温差产生的热电现象，即温差电动势效应——广义地，在半导体材料中，温度和电动势可以互相产生。
第二章原子的磁性及物质的顺磁性
06
应用领域及前景展望
Chapter
材料科学中应用
1 2
磁性材料
利用原子的磁性，可以设计和合成具有特定磁性 能的磁性材料，如永磁体、超导磁体等。
磁记录材料
利用物质的顺磁性，可以开发用于信息存储和读 取的磁记录材料，如硬盘、磁带等。
3
磁流体
通过控制磁性颗粒在液体中的分布和排列，可以 制备具有特殊磁学性质的磁流体，用于密封、润 滑、减震等领域。
数据处理与结果分析
数据处理
对于实验得到的数据，需要进行适当的处理 以消除误差并提高数据精度。常用的数据处 理方法包括平滑处理、背景扣除、归一化等 。
结果分析
通过对实验数据的分析，可以得到物质的顺 磁性参数，如磁化率、磁滞回线等。进一步 分析这些参数可以了解物质的磁性特征以及 与温度、压力等外部条件的关系。同时，还 可以将实验结果与理论预测进行比较，以验 证理论模型的正确性。
02
原子半径与未成对 电子数
原子半径越大，其未成对电子数 可能越多，从而使得原子具有更 强的顺磁性。
03
原子半径与磁矩大 小
原子半径的大小还会影响原子磁 矩的大小，进而影响物质的顺磁 性。
原子间相互作用与顺磁性
01
原子间相互作用影响电子自旋状态
原子间的相互作用会改变电子的自旋状态，从而影响原子的磁性。
原子核磁矩与电子磁矩
原子核磁矩远小于电子磁矩，通常可 忽略不计。
电子磁矩包括轨道磁矩和自旋磁矩， 其中自旋磁矩起主导作用。
磁矩间相互作用
偶极相互作用
原子磁矩之间通过磁场相互作用，形成偶极相互作用。
交换相互作用
在某些材料中，原子磁矩之间还存在一种特殊的相互作用——交换相互作用，它是导致铁磁性材料自发磁化的根 本原因。
顺磁性材料有哪些
顺磁性材料有哪些
首先，铝是一种常见的顺磁性材料。
铝的原子结构中有三个未成对电子，因此在外加磁场下，铝会被磁场吸引，表现出顺磁性。
由于铝的顺磁性较弱，通常在实际应用中很少体现出明显的顺磁性效应。
其次，铜也是一种顺磁性材料。
虽然铜是一种良好的导体，但其原子结构中同样存在未成对电子，因此在外加磁场下，铜也会表现出顺磁性。
与铝类似，铜的顺磁性效应相对较弱。
除了金属材料外，一些化合物和矿物也表现出顺磁性。
例如，二氧化钛是一种常见的顺磁性材料，它在外加磁场下会被磁场吸引。
此外，一些含铁的矿物如赤铁矿和磁铁矿也表现出顺磁性，这是由于其中铁原子的未成对电子导致的。
除了上述材料外，还有一些稀土元素和它们的化合物也表现出明显的顺磁性。
比如，钆、铽、镝等元素及其化合物在外加磁场下会表现出强烈的顺磁性效应，因此在磁性材料的研究和应用中具有重要的地位。
总的来说，顺磁性材料主要由未成对电子组成，它们在外加磁场下会被磁场吸引，表现出顺磁性。
铝、铜、二氧化钛、赤铁矿、磁铁矿以及一些稀土元素和其化合物都属于顺磁性材料。
这些材料在医学、材料科学、地质探测等领域具有重要的应用价值，对它们的研究有助于拓展新的应用领域和推动相关技术的发展。
量子力学对原子磁性质的理论解释
量子力学对原子磁性质的理论解释引言：量子力学是20世纪初由物理学家们发展起来的一门重要的物理学理论，它对于解释原子和分子的行为具有重要意义。
在量子力学的框架下，我们可以深入探讨原子的磁性质，并解释其背后的物理机制。
一、磁性的基本概念磁性是物质对磁场的响应能力，分为铁磁、顺磁和抗磁三种类型。
铁磁物质在外磁场作用下会产生自发磁化，而顺磁物质则是在外磁场下被吸引，而不会自发磁化。
抗磁物质则是在外磁场下呈现弱的磁性。
二、电子自旋与磁矩在量子力学中，电子被认为是具有自旋的粒子。
自旋是电子的一种内禀性质，类似于地球的自转。
电子的自旋可以取两个可能的值：+1/2和-1/2。
根据量子力学的原理，电子的自旋与磁矩之间存在着一种特殊的关系。
磁矩是物质在外磁场中受到力矩作用的结果，它与电子的自旋密切相关。
三、原子磁性质的量子力学描述原子的磁性质可以通过量子力学的理论来解释。
在原子中，电子的自旋和轨道运动都会对磁性产生影响。
根据量子力学的描述，原子的磁矩可以分为两个部分：轨道磁矩和自旋磁矩。
轨道磁矩是由电子的轨道运动产生的，而自旋磁矩则是由电子的自旋产生的。
根据量子力学的原理，电子的轨道磁矩和自旋磁矩都可以取不同的取值。
在外磁场的作用下，这些磁矩会与外磁场相互作用，从而产生不同的能级结构。
这些能级结构对于描述原子的磁性质非常重要。
四、铁磁性的量子力学解释铁磁性是一种在外磁场下自发磁化的现象。
在量子力学的框架下，铁磁性可以通过考虑原子中电子的自旋和轨道磁矩相互作用来解释。
当外磁场作用于铁磁物质时，电子的自旋和轨道磁矩会与外磁场相互耦合，从而产生自发磁化。
五、顺磁性的量子力学解释顺磁性是一种在外磁场下被吸引的现象。
在量子力学的描述中，顺磁性可以通过考虑原子中电子的自旋磁矩与外磁场相互作用来解释。
在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩会与外磁场相互耦合，从而产生顺磁性。
六、抗磁性的量子力学解释抗磁性是一种在外磁场下呈现弱磁性的现象。
物质的磁性(i)——抗磁性顺磁性和铁磁性
其中
为玻尔磁子，是物
7
质磁矩的最小单元。
二、电子的自旋磁矩（本证磁矩） 电子的自旋是在研究原子的线状光谱时被提出来的，并发现
了光谱线的精细结构。为了解释这种谱线结构，有个重要的假设： 电子具有自旋角动量（本证角动量）和自旋磁矩（本证磁矩）。
自旋角动量在任意方向的外磁场中的投影值
与之相应的电子自旋磁矩在外磁场方向的投影为 注意的是，
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设两个电子的轨道角动量量子数分别为l则其总轨道角动量l的量子数可取值为对于确定的l值为总轨道角动量l总轨道磁矩的绝对值分别为同样设两个电子的自旋量子数分别为s1和s2则总自旋量子数s的可能取值为其中为朗德因数或光谱分裂因数四洪德定则该定则是洪德基于对原子光谱的分析而总结出来的经验法则
第一章：物质的磁性（I） ——抗磁性、顺磁性和铁磁性
后来证明，巡游电子模型更加接近过渡金属磁电子的真实状 态。近20多年来，守谷等人建立了自旋涨落的自洽重整化理 论并用这一理论对弱铁磁性金属（ZrZn2，Sc3In）进行了计 算，导出了居里-外斯定律。在这基础上，守谷进一步提出 弱铁磁性金属中的居里-外斯定律源于自旋涨落的新物理思 想。在这一思想的指导下，守谷提出了用自旋涨落来统一局 域电子模型和巡游电子模型的模型。
其中
为轨道面积。
电子运动的轨道角动量为 6
于是有
按其态量中在子rn出,力l,的m 学分l,理m 布论s是 概，率轨表 。道根电征 据子量的状 子运力动态 学状的态的 解应释n四 以l，m lm 波s空个 函r间数2量表 量 子nl数lm 示 ， ms的r物表该理示状
顺磁性
白锡
<13.2℃
灰锡
• 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，从而使铜和锌的抗磁性 变弱。当高度加工硬化时，铜可以由 抗磁金属变为顺磁。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，
Cu-Pd、Ag-Pd固溶体合金的磁化率
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。
形成中间相时，由于生成了化学键和共价键， 从而影响了自由电子的顺磁性，于是简单金 属正离子的抗磁性便充分地显示出来，使合 金的抗磁性增强，并在磁化率和成分的关系 曲线上出现极值。例如，Cu-Zn合金中出现 电子化合物г相Cu3Zn5时，合金的抗磁磁化 率达到最大值。从图中曲线可以看到，由于 液态合金仍保留着部分化学键的作用，所以 对应于 г相成分的合金液态时的抗磁磁化率 也比较大。
O3的结构
• 碱金属
碱金属的电子层由惰性气体电子层加上一个s电子组成。 按照洪特定则它们在基态下有磁矩，这个磁矩提供很强的 磁化率，因此碱金属是顺磁性的。
• 碱土金属(Be除外) 碱土金属有两个s电子，因此其电子层饱和，但是它们属 于金属，因此拥有自由电子。除铍外其自由电子导致的顺 磁性强于抗磁性，因此它们均是弱顺磁性物质。
• Ti、V、Cr、Mn的过渡元素
Ti 3d24s2 ; V 3d34s2; Cr 3d54s1; Mn 3d54s2 3d层未被填满，自旋磁矩未被抵消，因而产生强烈的顺磁 性。
2.温度的影响
温度对顺磁性的影响很大 一部分物质x=C/T， 另一部分物质x=C′/（T+△） 可以说，顺磁物质的磁化是磁场克服原子和分子热 运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果
抗磁性和顺磁性的量子理论——Van Vleck 顺磁性
小结： 范弗莱克量子理论正确处理了顺磁性和抗磁性的
问题，揭示了它们之间的内在联系，指出了除去原子磁矩 的取向效应外，还存在一个与温度无关的顺磁效应——范 弗莱克顺磁性。他既肯定了 Langevin 经典理论正确的一 面，又指出了经典理论的不足，成功地解释了复杂多变的 实验结果。
二. Landau抗磁性
F qv B
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”
三. Pauli 顺磁性
前面分析指出传导电子的自旋磁矩在外磁场中的取向 效应会产生一定顺磁性，但不能用经典统计理论解释。泡 利等人使用Fermi-Dirac 统计解释了高度简并的传导电子顺 磁性，其物理图像可用下图说明：
所以只有
N
'
1 2
g EF0 BH
的电子可以在磁场中改变取向。
引发的顺磁磁矩为：
n, l, m x2 y2 n, l, m
2
H 2
nn '
n,l, m ˆz n ',l ', m '
E E 0 n ',l ',m '
0
n,l ,m
E0 n,l ,m
是基态能量，后面三项是微扰能量
，在微扰
能量远小于基态能量和平均热动能的情况下，（相当
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,为自旋磁力比，且: s
2 l
s的绝对值：
s
SS 1 e 2
m
SS 1B
S mS
1. 总自旋磁矩在外场方向的分量为：
μ s H ＝2msB , ms 1/ 2,最大分量 :[μ s H ]max 2SB
2. 计算原子总自旋角动量时，只考虑未填满次壳层中 的电子。
3. 电子总磁矩可写为：
J J 1
gJ mJ
B
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：
J max g J J B
∴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： a) 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
PJ H mJ
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：
J
L
c
os
PL
PJ
实验证明μ：s电H子自旋μ磁B 矩 在 外2em磁场 方 向me 分 2量等于一个μB，取正或取负。
自旋角动量：
PS SS 1
在
外场方向分量： Ps
H
ms
2
（自旋磁量子数：ms
1) 2
自旋磁矩与自旋角动量的关系为：
μs
H
＝－
e m
Ps
H
方向相反μs
e m
Ps＝－ sPs
其中： s
e m
s
c
os
Ps
PJ
PJ
PL L(L 1), PS S(S 1),
L L(L 1)B , s S (S 1)B
PS
PL
c
os
PL
PJ
J (J 1) L(L 1) S(S 1) 2 L(L 1) J (J 1)
μL
μS
c
os
Ps
PJ
J (J 1) S(S 2 L(L 1)
1) L(L 1) J (J 1)
发生与原子序数较小的原子中（Z<32）。
b) 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>82
c) LS+jj耦合： 32<Z<82
★无论那种耦合， J＝gJ J (J 1)B 均成立。
4、组成分子或宏观物体的原子的平均磁矩一般不等 于孤立原子的磁矩。这说明原子组成物质后，原
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 第二节 原子磁矩 第三节 稀土及过渡元素的有效玻尔磁子 第四节 轨道角动量的冻结（晶体场效应） 第五节 朗之万顺磁性理论
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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：
当S=0时,
J=L，gJ=1，
＝
J
L(L 1)B
均gJ<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：
J
H
J
c
os
J
H
J
PJ H
PJ
J
mJ
μJ
μL-S
J
3J (J
1) S(S 2J (J
1) L(L 1)
1)
J (J 1)B
令：g J
3J (J
1) S(S 2J (J
1) L(L 1) 1)
则：J＝gJ J (J 1)B
注：1、当兰L德=0因时子，gJJ=的S，物g理J=意2,义J：＝2 S(S 1)B 均来源
于自旋运动。
磁量子数 ml＝0、 ± 1、 ± 2、 ± 3 ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ±l （2l+1个取值）
➢ 在填充满电子的次壳层中，各电子的轨道运动分 别占了所有可能的方向，形成一个球体，因此合
成的总角动量等于零，所以计算原子的轨道磁矩
时，只考虑未填满的那些次壳层中的电子——这 些壳层称为磁性电子壳层。
二、电子自旋磁矩
J=|L-S|；
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： 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f0~145s25p65d0~16s2 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。
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
一、电子轨道磁矩（由电子绕核的运动所产生）
由量子力学知：轨道角动量
l
Pl
e 2m
l
Pl l(l 1)
e 2m
Pl
令 l
e 2m
，轨道磁力比
则：l
l
Pl
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。
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。
g
e
P
P，g
:
Lande因子
2m
g 1，来源于轨道运动；
g 2，来源于自旋；
1 g 2, 来源于二者
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。
根据原子的矢量模型，原子总角动量PJ是总轨道
角动量PL与PJ总自P旋L 角PS动量PJS的J 矢1量 和：
总角量子数：J=L+S, L+S-1,…… |L-S|。 原子总角动量在外场方向的分量：
其中l＝0，1，2…n-1 ， h 2
l
l(l 1) e 2m
令B
e 2m
9.2731024[ A m2 ] 1023[ A m2 ]
（波尔磁子，电子磁矩的基本单位）
l l(l 1)B
对于多电子系统：l L(L 1) B L ml
角量子数 l＝0，1，2…n-1 （n个取值）
子之间的相互作用引起了磁矩的变化。因此计算 宏观物质的原子磁矩时，必须考虑相互作用引起 的变化。
5、决定多电子原子基态的量子数L、S与J，可依照 Hund’s Rule计算如下:
I. 在Pauli原则允许下，S取最大值，S= ∑ms II. 总轨道量子数L在上述条件下可能的最大值，
L= ∑ml III. 次壳层未半满时，