抗磁性和顺磁性

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：XXXXXXX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。

磁极间互相作用的规律

磁极间互相作用的规律1.前言磁极间互相作用是物理学中一个重要的现象。

在生活中，我们经常用到磁铁，如将磁铁把钥匙挂在冰箱门上、用磁铁吸附磁性物质等等。

本文将介绍磁极间互相作用的规律，以及磁力的计算方法和应用领域。

2.磁性的基本概念磁性是一种物质特性，指物质受磁场作用后具有吸引或排斥其他磁性物质的属性。

用磁场的大小和方向可以描述空间中任一点的磁场性质。

根据磁场的性质，磁性物质可以分为五类。

第一类：顺磁性物质。

顺磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向在磁场方向和磁化强度成正比关系的物质。

常见的顺磁性物质有氧气、铝、铜等。

第二类：抗磁性物质。

抗磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向和磁场方向相反的物质。

常见的抗磁性物质有黄铜、银、金、铜等。

第三类：铁磁性物质。

铁磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向和磁场方向相同，而且磁化强度很大，成正比关系的物质。

常见的铁磁性物质有铁、镍、钴等。

第四类：反铁磁性物质。

反铁磁性物质是指处于磁场中，磁化强度和磁场强度成反比的物质。

常见的反铁磁性物质有Cr、Mn、Fe等。

第五类：亚铁磁性物质。

亚铁磁性物质是指处于磁场中，呈磁矩方向和磁场方向偏离，但磁化强度非常小的物质。

常见的亚铁磁性物质有铬、铝、银等。

3.磁极的基本概念磁极是指磁体的两个极端点，分别为南极和北极。

在磁场中，南极与北极之间互相作用，产生吸引或排斥力。

南极与南极之间、北极与北极之间产生相互排斥的力；南极与北极之间、北极与南极之间产生相互吸引的力。

根据这个相互作用的规律，最早确定了地球的磁南北极的位置。

4.磁极之间的互相作用规律在磁场中，磁极之间互相作用的规律可以通过下面的两个实验来观测。

实验一：两个北极互相排斥将两个北极放在一起，它们会互相排斥，如图1所示。

实验二：一个北极和一个南极相互吸引将一个北极和一个南极放在一起，它们会互相吸引，如图2所示。

从这两个实验可以看出，同名磁极之间互相排斥，异名磁极之间互相吸引，这就是磁极间互相作用的规律。

固体磁性1-绝缘体顺磁性和抗磁性

e e e ee F
gB Bz ( J 1/ 2) gB Bz / 2
gB Bz ( J 1/ 2) gB Bz / 2
低温极限 kBT gB JBz
取Bz 104 gauss 则 T 1K
此时，磁矩倾向于平行排列。
高温极限 kBT gB JBz
磁化率
0
N V
(gB )2 3
J (J 1) kBT
n0
E0 En
8m
(xi2 yi2 ) 0
i
磁化强度 M N E0
V Bz
磁化率
0
M Bz
0
N V
q2
4m
0
i
(xi2 yi2 ) 0
2B2 |
n0
0 (Lz gsSz ) n En E0
|2
练习：
（1）证明 [L g0S,n J ] i n(L g0S)
（2）已知： Jx 0 Jy 0 Jz 0 0 证明： 0 (L gsS) 0 0
外层电子的哈密顿量
H
i
H (0) i
i j
e2
40
| ri
1 rj
|
i
H soc i
第一项是常见的单电子哈密顿量
i 标记第i个电子
H (0) i
pi2 2m
V பைடு நூலகம்ri )
V 是电子感受到的离子实的势能
第二项是电子电子相互作用能。
第三项是自旋轨道耦合。
H soc i
(r)li
si
最低阶近似（舍弃哈量后两项）
d 电子在正八面体晶体场（阴离子）中的劈裂高能态低能态
自由离子d轨道
球形场
正八面体场 (Oh群)

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。

原子`离子的磁矩(顺`抗磁)

例如：Gd：T< 221K, 是平面型简单铁磁性。 221K< T <228K，是平面型螺旋反铁磁性。
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

顺磁性和抗磁性

顺磁性和抗磁性
类似电介质的争论，从物质电结构来说明磁性的起源。

介质的分子（原子）中的全部电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和，称为分子磁矩。

分子的磁效应可用分子磁矩来表示，并可用具有相同磁矩的圆电流来替代分子。

设分子电流的电流强度为I，圆面积S，对应的分子磁矩为
式中en为圆电流平面法向单位矢量，它与电流方向成右手螺旋关系。

(1) 抗磁质
磁介质的分子磁矩为零，在外磁场中，各个分子中的电子都因拉莫进动而产生感应磁矩。

感应磁矩的方向与外磁场方向相反，相应的附加磁场的方向也与外磁场方向相反，使介质中的磁感应强度减弱。

抗磁质在外磁场中的磁化过程称为感应磁化。

(2) 顺磁质
磁介质的分子磁矩不为零，在无外磁场时，各个分子磁矩的方向完全无规章，宏观上不产生磁效应。

有外磁场时，各个分子磁矩将转向外磁场方向。

达到平衡时，分子磁矩将不同程度地沿外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场的方向与外磁场方向相同，使介质中的磁感应强度增加。

顺磁质在外磁场中也会消失感应磁矩，但它比分子磁矩约小5个数量级，因此完全可以忽视。

顺磁场在外磁场中的磁化过程称为取向磁化。

2.3 抗磁性和顺磁性的量子理论——Van Vleck 顺磁性

金属态
见戴道生书 p37
χ mol (10−6 ) CGS单位单位
也许可以简单认为自由电子的顺磁性是由于电子自旋磁矩在磁场中取向引起，如果按照经典理论，自旋取向对顺磁的贡献是：
2 Nz µs2 Nz µB χe = = ≈ 10-4 3k BT k BT
( µs = 3µB )
CGS单位制下室温磁化率
经典理论不可能计算抗磁性气体分子分子的磁化率，而量分子子力学至少原则上可以做到。此时必须考虑到第二项的影响。气体分子的磁性取决于抗磁项和顺磁项的相对大小。姜书表1-4中有Hartree和Slater 的理论计算值。
小结：小结：量子力学的结果使我们对经典结论有了更加可靠的认识，的认识，更有意义的是它指出了抗磁性和顺磁性之间的联而且也为计算抗磁性分子的抗磁磁化率提供了可能。系，而且也为计算抗磁性分子的抗磁磁化率提供了可能。
冯端《材料科学导论》p261
范弗莱克量子理论很好的揭示了过渡族元素和稀土族元素间的差异，并指出稀土元素 Sm+3和Eu+3 的特殊性，揭示了它们的原子磁矩偏离洪德法则的原因。虽说原则上可以利用范弗莱克量子理论计算任何原子的磁化率，但实际上是很困难的，需要繁琐而复杂的量子力学计算。
小结：范弗莱克量子理论正确处理了顺磁性和抗磁性的小结：
参考：冯索夫斯基《现代磁学》参考：冯索夫斯基《现代磁学》p100-104 戴道生等《铁磁学》上册p60-70 戴道生等《铁磁学》上册
2.4 传导电子的磁效应
Pauli 顺磁性 Landau抗磁性顺磁性和抗磁性前三节讨论的都是离子实的磁性质离子实的磁性质，或者说是轨道电离子实的磁性质子的磁性质，很好的解释了绝缘体的抗磁性和顺磁性。但金属由离子实和自由电子组成，它们既有局域电子（轨道金属由离子实和自由电子组成离子实组成电子），也有传导电子。实验结果表明，金属中的传导电实验结果表明，实验结果表明子在外磁场中也表现出一定的磁性质，子在外磁场中也表现出一定的磁性质，而且不能用上述理论来解释。论来解释 Landau 和 Pauli分别研究了传导电子的抗磁分别研究了传导电子的抗磁和顺磁行为，揭示了非铁磁性金属的弱磁性质。和顺磁行为，揭示了非铁磁性金属的弱磁性质。非铁磁性金属的弱磁性质

固体的磁性基础知识

固体的磁性基础知识1. 磁性的一种分类方式根据磁化率χ的大小符号以及与温度、磁场的关系，可以把物质的磁性分成五类：（1）抗磁性，磁化强度与磁场方向相反，χ < 0，其值约为10-7~10-6；（2）顺磁性，磁化强度与磁场方向相同，χ > 0，其值约为10-6~10-5；（3）反铁磁性，χ > 0，其值约为10-4；（4）亚铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~104；（5）铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~106抗磁性的χ几乎与温度无关，其余均与温度有关；亚铁磁性和铁磁性为强磁性，其余为弱磁性。

2. 原子磁矩构成固体物质的原子中，电子磁矩比原子核的磁矩大三个数量级，所以电子磁矩对固体的磁性起主要作用。

2.1 独立原子的磁矩原子中电子的磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩两部分组成。

电子的轨道磁矩为L 是电子的轨道角动量，µL 的绝对值为其中l 是电子轨道角动量量子数，µB 是波尔磁子，其大小为电子的自旋磁矩为 = -2L e mμL =(1)L Bl l 2B e m S e mμSS 是电子的自旋角动量，µS 的绝对值及其在z 方向的投影分别为如果原子中只有一个电子，则原子磁矩为J 是电子的总角动量。

如果原子中有多个电子，原子的总角动量有LS 耦合和JJ 耦合两种耦合方式，分别适用于原子序数比较小和原子序数比较大（Z > 80）的耦合方式。

常见的3d 族和4f 族元素，电子之间的轨道-轨道与自旋-自旋偶合较强，适合使用LS 耦合。

2.2 晶场效应原子结合成晶体后，原子的电子状态发生变化，价电子参与各种类型的键合，而处在格点位置的离子也不同于孤立离子，其电子状态因受周围离子所产生的静电场的作用而发生变化，这种静电场称为晶体电场，它所造成的影响称为晶场效应。

晶场效应有两种：一是离子中简并的电子态发生劈裂，二是电子的轨道角动量的贡献部分或者全部被冻结。

一什么是抗磁性顺磁性铁磁性和亚铁磁性作图表示前四种其磁化率

固体物理（二）复习纲要一什么是抗磁性、顺磁性、铁磁性和亚铁磁性,反铁磁性；作图表示前四种其磁化率与温度的关系，并给出每一种满足理想形式的一种实际材料二什么是固体的介电、压电、热释电和铁电性，给出它们间的关系；三给出GMR 、TMR 和CMQ 的异同点。

四用外斯经典分子场理论的结果解释至少3个铁磁性的特征性质。

五用朗道的平均场理论分别解释铁电体的一级或二级相变、相变潜热与极化率χe 与温度T 的关系，对二级相变还需给出Pr-T 的关系.六利用Laugerin 的理论导出局域电子顺磁性固体磁化强度与磁场和温度的一般性质M （B 、T ）进而讨论高温弱场条件下和低温强场条件下的规律七分别求Fe 、Co 、Ni （以及Fe 、Fe +2，Fe +3）原子基态、朗德g 因子以及μJ八利用Lamore 进动讨论局域电子的抗磁性磁化率χ九用双电流模型解释GMR 的物理机制。

十．原子氢的抗磁磁化率。

氢原子的基态（s 1）波函数是()02130a re a --=πψ，其中cm me a 822010529.0-⨯== 。

按照波函数的统计解释，电荷密度2),,(ψρe z y x -=。

试证明该态的2023a r =，并计算原子氢的摩尔抗磁磁化率。

十一.某种顺磁性气体，单位体积内的原子浓度为N ，0=L ，21=S ，试计算在温度T 和磁场H 下的两个能级上的原子浓度，以及磁化强度。

十二.某种顺磁性气体，它的每个原子具有永久磁矩μ 。

在外磁场H 的作用下，假定这些原子磁矩可以是任意取向的。

试计算这种气体的磁化强度。

十三利用经典统计，计算N 个固有电偶极钜为组成的固体的总磁化强度（设其电偶极钜间相互作用可以忽略），并证明弱场高温每个电偶极子的取向极化率与温度成反比。

1(when 1:cth )3x x x <=。

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，
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
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

材料的磁性质与磁场分布关系

材料的磁性质与磁场分布关系磁性是一种物质特性，它能够对磁场产生相应的作用。

在自然界中，有些物质具有磁性，而有些则没有。

磁性质与磁场分布之间存在着密切的关系，这在物理学中被广泛研究和应用。

本文将探讨材料的磁性质与磁场分布之间的关系，以及在实际生活中的一些应用。

首先，我们来了解一下什么是磁性质。

物质的磁性质是指其受磁场作用时所表现出来的特点。

根据物质对磁场的响应特性，可以将磁性分为顺磁性、抗磁性和铁磁性三类。

顺磁性是指当物质置于外磁场中时，原子或分子中的未成对电子会在磁场的作用下沿磁力线方向排列，进而增强外磁场。

抗磁性则相反，物质中的电子在磁场的作用下反向排列，减弱外磁场。

铁磁性是指在外磁场的作用下，物质表现出自发磁化的特性，即在去除外磁场后仍能保留一定的磁性。

了解了物质的磁性质，我们可以进一步了解磁场分布对磁性质的影响。

磁场是由磁体或电流的流动所产生的物理场。

磁场的分布与材料的磁性密切相关，不同的材料对磁场有不同的反应。

举个例子，铁磁材料可以在外磁场的作用下产生自发磁化，因此能够吸引铁、镍等物。

而顺磁材料对磁场的响应较弱，而且呈现出反磁性特性，也就是说它们会被磁场所排斥。

抗磁材料则相对较为复杂，它们对磁场的响应较小，有时甚至会有微弱的吸引效果。

磁性材料的磁场分布也会受到外界条件的影响，例如温度和压力等。

在较高温度下，材料的磁性通常会减弱或完全消失。

这是因为高温会导致材料中原子或分子的热运动增强，破坏了电子的磁性排列。

相反，在低温下，材料的磁性通常会增强。

压力对磁性的影响也是类似的，适当的压力可以增强或降低材料的磁性。

在现实生活中，对材料的磁性质和磁场分布的研究具有广泛的应用价值。

例如，在磁共振成像（MRI）中，利用不同材料的磁性差异，通过对人体组织的检测，可以获得详细的内部结构图像，用于医学诊断。

此外，磁性材料也被广泛应用于电子设备、电力工业和环境保护等领域。

在电子设备中，硬盘驱动器、扬声器和电动机等元件都利用了材料的磁性质，实现了信息存储和能量转换等功能。

抗磁性与顺磁性

① 金属的抗磁性——朗道抗磁性
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”的反向磁矩抵消，不显示抗磁性。
郎之万顺磁性理论
每个原子内有 z 个电子，每个电子有自己的运动轨道，在外磁场作用下，电子轨道绕 H 进动，进动频率为ω，称为Lamor进动频率。由于轨道面绕磁场进动，使电子运动速度有一个变化⊿v，电子轨道磁矩增加⊿μ，但方向与磁场相反，使总的电子轨道磁矩减小。总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小，表现出抗磁性。
2
TF

EF0 kB

2
2mkB
3 2N
2 3

h2 2mkB

3N
8
3
其中 TF 为费密面能级 EF 决定的费密温度。用 N’代替 N
后，得到
2
ed

4mB2
h2

3
3
1
N3
此时的磁化率与温度无关，称为朗道抗磁性。金属中的导电电子除具有抗磁性外，还同时具有不可分开的顺磁性。
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。
当形成两相合金时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。
Cu-Zn合金的磁化率
磁化率随合金成分变化规律
第二节物质的抗磁性与顺磁性
物质磁性的分类物质的抗磁性物质的顺磁性金属的抗磁性与顺磁性影响因素测量与应用