物质的磁性来源及分类优秀课件

1
2
ms
状态数或最多 2
2
电子数
6 8
2
6
10
18
续表
n
4
主壳层符号
N
l
0
1
2
3
次壳层符号 s
p
d
f
ml
0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 3
ms
状态数或最 2
6
10
14
多电子数 32
6
N (n=4)
M (n=3)
L (n=2)
满电子壳层的总动量和总磁矩都为零。未填满电子的壳层上才有 未成对的电子磁矩对原子的总磁矩作出贡献。这种未满壳层称为 磁性电子壳层。
3
n
( n = 3 ) 主量子数 n 代表主
壳层，轨道量子数
ll 代表次壳层，能
…量相同的电子可以
l
视为分布在同一壳
层上。
ml
主量子数相同的 电子数最多：
ms
大多数原子基 态的电子组态可以 按此规律给出。 少数元素有些变化， 如： Cu:······3d10,4s1 Cr: :······3d5,4s1
电子数不到半满，
F4 3/2
J g J J(J 1 )B 0 .7 7 4 6B
S2S(S 1 )B3 .8 7B
与实验值相比， S 更接近，这是因为受到晶场作用，
轨道角动量被冻结的缘故，只有自旋磁矩起作用。
2.2 物质的抗磁性
电磁感应普遍存在
由于电磁感应 磁场中运动电子轨道发生变化， 产生抗磁性： 普遍存在； 值很小，通常被掩盖
1. Fe 原子：Z = 26, 电子分布是：······3d6
根据洪德法则1，5个电子自旋占据5个
1 2
的 ms 状态，
另一个只能占据 1
2
的 ms 状态，所以总自旋：
S51112 22
D L m l210( 51)(2)22 （根据法则 2）
4
JLS4 （根据法则 3，电子数超过一半）
gJ
3 S(S1)L(L1)
物质的磁性来源及分类优秀课件
2.1 原子磁矩
一切物质磁性的根源，来自 原子磁性 原子磁矩有三个来源： ☼ 电子轨道磁矩； ☼ 电子自旋磁矩； ☼ 原子核磁矩；
原子核磁矩值很小，一般可 忽略不计。
2
▼原子核外电子排布规律
多电子原子中，电子排布的准则有两条：
泡利不相容原理和能量最低原理 大体可以归纳为：
（l＝0，1，2，…，n－1 h为普朗克常数，h＝6.6256×1034[JS] ）
l l(l1)B
（ B
e 2me
=9.2730×1024Am2 ，称为波尔磁子)
ml 1
0
l(l 1)
ml
ml
2
3
2
1
1
0
l(l 1)
0
l(l 1)
-1 -1
-2
-1
-2
-3
l=1
l=2
l=3
9
因为 jl=0l ,同理会得出：
B
0e 2me
=1.166010-29Wbm
在SI单位之中采用
B
0e 2me
的定义。
10
▼电子自旋磁矩
ps ss1
自旋在磁场方向的分量
ps
H
ms
1 2
实验表明： sHB
(s)H
e me
(ps)H
S≡1/2，pS= ( 3 / 2)
(ms只可能等于1/2 )
s
e me
ps
s 2 s(s1)B （S≡1/2，S 3B）
Z〉82
各处电子的s和l合成j，然后再由各电子的j合成原子的总
角量子数J
s2
♪ L-S耦合 低原子序数
S
s1
铁磁性物质都属于L-S耦合
P JP LP SJ(J1)
J
l2
L
l1
13
轨道和自旋磁矩合成原子总磁矩
l
e
2me
pl
s
e
me
来自百度文库
ps
PJ PL
PS
L J
S L-S
14
通过量子力学处理以后， 得到
18
▼拉莫进动
由动量矩原理有
dpl dt
0l
H
0 e 2me
pl H
对时间的一次微分为
plx l ply H , ply l plx H ,
11
l
e 2me
pl
s
e me
ps
则电子的总磁矩可以写成：
g( e )pp
2me
其中，g称为磁力比因子。当完全来源于轨道运动时，g=1； 全部来源于自旋时，g=2；两者同时做贡献时，1<g<2。 称为磁力比
12
▼原子磁矩
解决轨道和自旋磁 矩耦合的问题
原子中角动量耦合方式有两种 ：
♪ j-j耦合
2
2J(J 1)
1.5
J gj J(J 1)B 6.7B
S2S(S1 )B4.9B
2. Cr+3 离子：Cr 原子 Z = 24，Cr+3 电子组态为····3d3
S 3 1 3 22
L 21 0 3
J LS 3 2
g J 0 .4
(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6, (5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,
见《结构与物性》p15
基态原子的电子在原子轨道中填充的顺序是： 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d
表1 电子壳层划分及状态数
n
1
2
3
主壳层符号 K
L
M
l
00
1
0
1
2
次壳层符号
s
s
p
s
p
d
ml
0
0 1 0
1
0
1 0 1 2 1 0
K
(n=1)
2s2 3s2 4s2
原子核 +26
1s1
2p6
3p6
3d6
Fe的电子壳层和电子轨道
7
▼电子轨道磁矩
电子轨道运动产生的轨道磁矩和动量矩方向相反
l iS2 e (r2)2 er2
pl mer2
l
e 2me
pl
pl mer2
r
i
v
e
m=iS
8
引入量子力学方法：
pl l(l 1) h 2
J gJ J(J1)B
其中，
gJ1J(J1) 2 S J((S J 1 1 ))L(L1)
两种特殊情况：
♪ 当L＝0时，J＝S，得g＝2，原子总磁矩都是由自
旋磁矩贡献的。
♪ 当S＝0时，J＝L，得g＝1，原子总磁矩都是由轨
道磁矩贡献的。
铁磁性物质的磁矩主要是由自旋贡献
15
原子磁矩计算举例
(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6, (5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10,
♫ 由n、l、ml和ms四个量子数确定以后，电子所处的位置随 之而定。这四个量子数都相同的电子最多只能有一个
♫ n、l和ml三个量子数都相同的电子最多只能有两个 ， ms只 能为±1/2 ♫ n、l两个量子数相同的电子最多只有2（2l＋1）个 ， ml从 -l到+l共有（2l＋1）个可取值 ♫ 主量子数相同的电子最多只有2n2个 ，对于确定的n值，l可 取l＝0，1，2，…，（n－1）共n个可能值