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浅议物质的磁性分类

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浅议物质的磁性分类  第 22 卷第 2 期 宿 州 学 院 学 报 Vol. 22, No. 2  2 0 0 7 年 4 月 Journa l of Suzhou College Apr . 2 0 0 7 浅议物质的磁性分类 梅 超1, 2,   刘 宁23 (1. 安徽师范大学, 安徽 芜湖 241000; 2. 宿州学院, 安徽 宿州 234000) 摘要: 本文简述了物质磁性的来源, 对物质的宏观磁性进行了分类, 定性说明了磁状态形成的机理, 用图表说明了 各类磁性物质磁化强度随外场、温度的变化情况。 关键词: 磁性; 磁化率;...
浅议物质的磁性分类
 第 22 卷第 2 期 宿 州 学 院 学 报 Vol. 22, No. 2  2 0 0 7 年 4 月 Journa l of Suzhou College Apr . 2 0 0 7 浅议物质的磁性分类 梅 超1, 2,   刘 宁23 (1. 安徽师范大学, 安徽 芜湖 241000; 2. 宿州学院, 安徽 宿州 234000) 摘要: 本文简述了物质磁性的来源, 对物质的宏观磁性进行了分类, 定性说明了磁状态形成的机理, 用图说明了 各类磁性物质磁化强度随外场、温度的变化情况。 关键词: 磁性; 磁化率; 磁畴; 磁化曲线 中图分类号: O 482. 5  文献标识码: A   文章编号: 1673- 2006 (2007) 02- 0102- 03 收稿日期: 2006210228 基金支持: 安徽省教育厅自然科学研究项目 (2006KJ 266B ) 资助。作者简介: 梅超 (1977- ) , 安徽宿松人, 安徽师范大学 分子与原子物理专业研究生, 研究方向: 巨磁材料。3 联系方式: Em ail: liun ing. szsz@ 163. com   磁性是物质的一种基本属性, 从微观粒子到宏 观物体、宇宙天体都具有某种程度的磁性。物质的宏 观磁性有多种形式, 从弱磁性质的抗磁性、顺磁性、 反铁磁性到强磁性质的铁磁性、亚铁磁性。各种磁性 的形成具有不同的机理, 这方面有很多籍和文章 作了阐述, 但这些阐述一般都涉及到很复杂的数学 推导, 而对于定性的说明则很少。本文主要就形成各 种磁性的微观机制做一个定性的说明。 1 磁性的起源 在磁学量的定义曾经存在着两套不同的系 统[1 ]。M KSA 单位制 (国际单位制)和GA SS 单位制 (高斯单位制)。前者的磁学量用电流的磁效应来定 义的, 后者的磁学量是通过磁偶极子的概念来建立 的。 1. 1 电子的轨道磁矩 (ΛB ) 电子的轨道磁矩是由于电子环绕原子核作轨道 运动而产生的。按照经典理论, 轨道磁矩与轨道角动 量之间的关系是Λl= e2m P l。 又由量子理论, 电子的轨道角动量 P l = l( l+ 1) h, 所以Λl= e2m l ( l+ 1) = l ( l+ 1) ΛB , ΛB = e 2m = 9. 274×10 - 24Am 2 称为玻尔磁子, 是磁矩的 最小单位。电子的轨道磁矩来源于安培分子环流假 说[2 ]。 1. 2 电子的自旋磁矩 电子的自旋假设是乌伦贝克 (G. E. U h lenbeck) 和高斯密特 (S. A. Goudsm it) 在研究原子的线状光 谱时, 受泡利 (W. Pau li)不相容原理启发提出的[3 ]。 电子自旋磁矩与自旋角动量之间的关系是ΛS= e m PS, PS = S (S+ 1) h, ΛS = e m PS = eh m S (S+ 1) 3 ΛB。 电子的磁矩是电子的固有磁矩, 具有内禀性, 人 们把它看作一个磁偶极子。其相当于狄拉克预言的 磁单极。 从目前的研究结果看, 似乎分子环流的观点更 接近于真实情况, 因而逐渐被大家所认可, 但两种观 点的争论远没有结束。因为分子环流不能解释基本 粒子的固有磁矩 (如电子的自旋磁矩) , 而“磁单极” 至今还没有被发现, 使其失去了存在的基础。由于磁 偶极子和分子电流在远源区域完全等效, 所以人们 把两种观点都保留使用。 2 原子核的磁性 按照对原子核的研究理论, 质子和中子质量比 电子质量大 3 个数量级, 故其自旋磁矩比电子磁矩 小3 个数量级。Λp = (2. 79255±0. 00009) Λ核, Λn= - ( 1. 91280±0. 00009) Λ核, Λ核= 11836. 5ΛB , 由于原子 核的磁矩比核外电子的磁矩小 3 个数量级, 因此要 研究和观测它们, 要用核磁共振的方法。 3 物质的宏观磁性 原子核磁矩比电子磁矩小 3 个数量级, 所以宏 观物质的磁性主要来源于其内部电子的磁性。根据 内部电子不同的相互作用和宏观体现出的性质, 物 质的磁性可以分成五类: 抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚 铁磁性和反铁磁性。抗磁性、顺磁性、反铁磁性属于 弱磁性, 铁磁性、亚铁磁性属于强磁性; 铁磁性、亚铁 磁性和反铁磁性都属于磁有序。 201 描述磁性强弱的量用磁化率 ς 表示。 ς 是一个 无量纲的数, 反映物质在磁场中被磁化的能力。M _ =ςH_ ,M_ 为磁化强度, H_ 为外磁场强度。 3. 1 抗磁性 抗磁性物质是 19 世纪后半叶发现并研究的一 类弱磁性物质。主要特点是 ς< 0, û ς û非常小, 约为 10- 7- 10- 6。典型抗磁质的ς 不随温度变化而变化。 当物质处于外磁场中时, 围绕原子核作回旋轨 道运动的电子 (可以认为其产生闭合电流)按楞次定 律会产生感应电流, 此感应电流产生与外场方向相 反的磁场, 这便是抗磁性的起源之一。 金属中的传导电子受洛仑兹力作用, 洛仑兹力 与电子运动方向垂直, 不会改变电子的运动能量。故 传导电子的内能U (或自由能F)不变, 由热力学理论ς= - 1H 5F5H。表明如不考虑电子自旋, 经典理论认为 传导电子对磁化率没有贡献。但朗道 (Л. Д. Лaндay) 认为传导电子在外场中能量会发生量子化, 从连续 值变为不连续值, 导致自由能F 随外场而改变, 从而 产生抗磁性, 称之为朗道抗磁性。 从上面两个原因看来, 任何宏观物质都具有抗 磁性, 只是抗磁性一般都很微弱, 当物质同时具有其 它磁性的时候, 抗磁性就被掩盖了。 3. 2 顺磁性 顺磁性物质也是 19 世纪后半叶发现并研究的 一类弱磁性物质。主要特点是 ς> 0, û ς û非常小, 约 为10- 6- 10- 5。多数顺磁质 ς - 1与温度T 成线性关 系。 在顺磁物质中, 每个原子都具有永久磁矩(如原子 或离子包含未满额电子壳层) , 没有外场时, 由于热运 动, 原子永久磁矩取向是混乱的, 对空间和时间的平均 效果为零, 故宏观上不显磁性。当有外场时, 每个原子 的磁矩趋向于沿磁场方向排列几率就大一些, 这样就 加强了总的磁场强度。当外场不断加强, 所有原子的磁 矩都沿磁场方向排列, 就达到了磁饱和。 顺磁的经典理论是朗之万 (L angevin) 首先提出 来的。少数物质符合居里 (Cu rie) 定律: ςP = CT , c 是 常数。大多数物质符合居里2外斯 (Cu rie2W eiss) 定 律: , 称为顺磁居里温度。 3. 3 铁磁性 这是最早研究并得到应用的一类强磁性物质。 这类物质的主要特点是①ς > 0, 并且数值很大, 约 为10- 1- 105; ②ς 不仅随T 和H 而变化, 而且和磁化 历史有关; ③存在磁变化的临界温度 (称为居里温 度)。当温度低于居里温度时, 呈铁磁性; 当温度高于 居里温度时, 呈顺磁性。 铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性属于磁有序。外斯 (W eiss) 1907 年在朗之万顺磁理论基础上提出两个 假说: ①分子场假说: 铁磁性物质内部存在着强大的 “分子场”(量子理论建立后人们意识到分子场实质 上是电子之间的交换作用, 纯粹是一种量子效应) , 即使无外场, 其内部各区域也已经自发的被磁化, 外 场的作用是把各个区域磁矩的方向调整到外场方 向。因此, 在较弱的外场下即可达到磁化饱和; ②磁 畴假说: 铁磁体内部的自发磁化分为若干区域 (磁 畴) , 每个区域都自发磁化到饱和。未加磁场时, 各区 域磁矩的方向紊乱分布, 互相抵消, 所以在宏观上不 显磁性。 铁磁性物质内部存在分子场和热运动两种作用 的竞争。当温度较高时, 磁畴内分子场难以维持磁畴 结构, 分子场对原子磁矩趋向作用被破坏, 铁磁性消 失, 进入顺磁状态。 3. 4 反铁磁性 反铁磁性物质是20 世纪30 至50 年代初被发现 并加以研究的一类弱磁性物质。在宏观磁性上, ς> 0, ς 的数值约为 10- 5 - 10- 3, 有些类似于顺磁性物 质, 与顺磁性的最主要区别在于: ς - T 关系曲线出 现极大值, 极大值对应的温度为临界温度2奈尔 (N eel)温度。当温度低于奈尔温度时, 为反铁磁性; 当温度高于奈尔温度时, 则变为顺磁性或铁磁性 (分 子场和热运动两种作用竞争的结果)。 反铁磁性物质也是一种磁有序物质, 也可以用 分子场来解释。与铁磁性不同的是, 反铁磁性物质中 的离子磁矩沿两个相反的方向。奈尔提出在反铁磁 性物质中存在两种或更多种的次晶格, 每种次晶格 保持空间位置的对称性, 又保持磁矩方向一致, 几种 次晶格相互穿插, 构成了反铁磁体。安德森 (A nderson) 从理论上证明了这类物质中的磁性离 子之间存在着间接交换作用 (又称超交换作用) [4 ] , 为反铁磁性的分子理论找到了理论依据。 3. 5 亚铁磁性 它是 1930 年到 1940 年被集中研究并加以利用的一 类强磁性物质。在宏观磁性上, 它类似于铁磁性①ς > 0, 并且数值较大, 约为10- 1- 104; ②ς 是T 和H 的 函数, 并且和磁化历史有关; ③存在磁变化的临界温 度 (居里温度T c)。当温度低于居里温度时, 呈亚铁磁 性; 当温度高于居里温度时, 呈顺磁性或铁磁性。在 磁结构上, 又类似于反铁磁性: 近邻离子磁矩相反。 不同的是, 近邻离子磁矩大小不同。 奈尔以反尖晶石型铁氧体的晶格结构为基础, 建立了两种次晶格的亚铁磁性分子场理论。这一理 301 论的基本思路与反铁磁性的分子场理论相同, 所得 结果对亚铁磁性物质的宏观磁性给予了定性解释。 综上所述, 物质的宏观磁性及其产生机制如表 所示: 表 1 磁性物质的磁矩和特性曲线表 参考文献: [1 ]姜寿亭, 李卫. 凝聚态物理[M ]. 北京: 科学出版社, 2003: 19 [2 ]赵凯华, 陈熙谋. 电磁学 (上) [M ]. 北京: 高等教育出版社, 1998: 336 [3 ]孙庆元, 边大安. 近代物理学基础[M ]. 山东东营: 石油大学出版社, 1990: 149 [4 ]田民波. 磁性材料[M ]. 北京: 清华大学出版社, 2001: 25 (上接第80 页) 后文季狸由于战功被朝廷任用“永镇海口”, 他 的最终结局小说没有交代, 这让他的离去大有“萧萧 易水”之悲。耿顺虽完美的实现了梦卿的理想, 但最 终依然选择了归隐。小说的女主人公无论优秀与否, 作者给她们无一例外的选择了死亡。香儿死于“机关 算尽”, 彩云死于劳症, 云屏死于感伤, 爱娘死于看破 世事, 春畹死于宿愿已了。作者以平静的笔墨描写了 众人的死亡, 耿家旧事, 遂不为人知。正如作者感叹 “天地逆旅, 光阴过客, 后之视今, 今之视昔, 不过一 梨园, 一弹词, 一梦幻而已, 林耶? 兰耶? 香耶? 有其 人耶? 无其人耶? 何不幸忽而生, 忽而死, 等于蜉蝣? 又何幸而无贤无不肖皆留姓字于人间耶?” 小说最后留给我们的只有家族衰落的无奈、怀 才不遇的哀伤、生死无常的困惑、理想前途的迷茫, 表现了易代之际知识分子的幻灭与迷茫。另外它浓 重的感伤色彩, 平淡的写实手法, 深远的寄托意义, 对以后的世情小说产生了深远的影响, 是一部值得 研读的小说。 参考文献: [ 1 ]陈洪. 浅俗之下的厚重 [M ]. 天津: 南开大学出版社, 2001: 204. [2 ]陈宝良. 悄悄散去的幕纱——明代文化历程新说[M ]. 陕 西人民教育出版社, 1988: 246; 242; 244. [3 ]夏咸淳. 情与理的碰撞[M ]. 河北大学出版社, 2001: 350. [ 4 ]吴调公, 王恺. 自在、自娱、自新、自忏——晚明文人心态 [M ]. 苏州大学出版社, 1998: 141; 147. [5 ]王凯旋, 李洪权. 明清生活掠影 [M ]. 沈阳出版社: 2002: 12. [6 ]〔清〕袁中道. 珂雪斋近集 (卷二·答钱受之) [M ]. 上海书 店, 1982: 174. 401
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