抗磁性与顺磁性

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。
1930 年朗道最早指出，在量子力学理论内，这个结 论是不正确的。他首先证明，外磁场作用下的回旋运动使 电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的能级，正 是这种量子化引起了导体能量随磁场强度的变化，从而表 现出抗磁性。这种量子化的能级被后人称为朗道能级，由 于存在朗道能级而产生的抗磁性称作朗道抗磁性。
磁体的分类
抗磁体
磁化率为甚小的负常数，约为10-6数量级 过渡族金属
弱 磁 顺磁体 磁化率为正常数，约为10-3 ~10-6数量级 体 贵金属，稀土金属，碱金属 反铁磁体 磁化率为甚小的正常数，当T 高于某个温度时，
其行为像顺磁体。 如α-Mn、铬、氧化镍、氧化锰等 磁化率为很大的正变数，约为10 ~ 106数量级 强 铁磁体 磁 铁、钴、镍 体 亚铁磁体 类似铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大 四氧化三铁等
本章内容
基本磁学性能
抗磁性与顺磁性 铁磁体与反铁磁性 磁性的材料与分析
泡利（Pauli Fra Baidu bibliotek 1900-1958
奥地利物理学家，本世纪初一位罕 见的天才，对相对论及量子力学都 有杰出贡献，因发现“泡利不相容 原理” 而获1945年诺贝尔物理学 奖。这个原理是他在1924年发现的， 对原子结构的建立与对微观世界的 认识有革命性的影响。
反铁磁体当温度高于尼尔点（TN）时，表现为顺磁体。
第二节 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
4. 金属的抗磁性与顺磁性
① 金属的抗磁性——朗道抗磁性
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：
第二节 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
1. 物质磁性的分类
一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场， 只是强弱不同而已。 磁化率：材料的磁化强度M与外磁场强度H的比值。
M H
它的大小反映了物质磁化的难易程度，也是对物质
磁性分类的主要依据。
mat
0 e2 H
4m
2 r i i 1
z
任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性，与温度、外磁
场无关。从广义上来说，超导也是一种抗磁性。
第二节 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
3. 物质的顺磁性
物质的顺磁性主要源于原子内部存在永久磁矩。 顺磁性描述的是一种弱磁性，它呈现出正的磁化率，大小
M
铁磁性材料 亚铁磁性材料 顺磁性材料 反铁磁性材料
0
抗磁性材料
H
五类磁体的磁化曲线
第二节 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
2. 物质的抗磁性
外加磁场所感生的 轨道矩改变
H
抗磁性
1 d
R
O
T
抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下 毫不例外地具有的一种属性，大多数物质的抗磁性因 为被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。
为10-6 ~ 10-3.
顺磁性的磁化率满足以下规律：
C 少部分 P ，居里定律 T O C P ，居里－外斯定律 大部分 d T TP
表示在某一个温度之上才显示顺磁性
1/ d
T
C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。
O
T
郎之万顺磁性理论
理论的基本概念：顺磁性物质的原子间无相互作用 （类似于稀薄气体状态），在无外场时各原子磁矩在 平衡状态下呈现出混乱分布，总磁矩为零，当施加外 磁场时，各原子磁矩趋向于H方向。
产生机理
外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使
轨道电子加速。根据Lenz 定律，由轨道电子的这 种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相 反，因而磁化率是负的。
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。
无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩 △m都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。 一个电子在外加磁场H 的作用下，产生的的抗磁矩为
ml
0 e 2 r 2 H
4 me
式中，负号表示△ml与H 的方向相反;分母me为电子质量 一个原子常有z 个电子，每个电子都要产生抗磁矩，由于 电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩为
泡利有成就的研究还涉及以下几个方面：相对论量子电动力 学、基本粒子的自族与统计分布律的关系、气体和金属的顺 磁性（导致了金属中的电子量子论）、把单粒子的波动理论 推广到多粒子、介子的解释及核力等等。在理论物理学的每 个领域里，泡利几乎都做出过重要贡献。
朗道（1908～1968）
苏联著名的物理学家。最著名的贡献有 “朗道十诫”：量子力学中的密度矩阵和 统计物理学 (1927)；自由电子抗磁性的理 论(1930)；二级相变的研究(1936～1937)； 铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释 (1935)；超导体的混合态理论(1934)；原 子核的几率理论(1937)；氦Ⅱ超流性的量 子理论(1940～1941)；基本粒子的电荷约 束理论(1954)；费米液体的量子理论 (1956)；弱相互作用的CP不变性(1957)。 因凝聚态特别是液氦的先驱性理论，被授 予1962年诺贝尔物理学奖。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
顺磁体的分类
正常顺磁体
稀土金属，在居里点以上的铁磁金属等。
磁化率服从居里定律或居里 – 外斯定律。对于存在铁磁 转变的物质，在居里点以上服从居里 – 外斯定律。
磁化率与温度无关的顺磁体
碱金属等。
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。