抗磁性与顺磁性学习教案

会计学1抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性第一页，共46页。第1页/共46页第二页，共46页。第2页/共46页第三页，共46页。第3页/共46页第四页，共46页。第4页/共46页第五页，共46页。 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(zh ge)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。泡利有成就的研究(ynji)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。 泡利（泡利（Pauli ) 1900-1958第5页/共46页第六页，共46页。 朗道（19081968）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(19361937)；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)；氦超流性的量子理论(19401941)；基本粒子的电荷约束理论(1954)；费米液体(yt)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。 第6页/共46页第七页，共46页。第7页/共46页第八页，共46页。一切物质都具有磁性(cxng)，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。磁化率：材料(cilio)的磁化强度M与外磁场强度H的比值。HM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。第8页/共46页第九页，共46页。磁化率为甚小的负常数(chngsh)，约为10-6数量级磁化率为正常数，约为10-3 10-6数量级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。磁化率为很大的正变数，约为10 106数量级过渡族金属贵金属，稀土金属，碱金属如-Mn、铬、氧化镍、氧化锰等铁、钴、镍类似铁磁体，但磁化率没有铁磁体那样大四氧化三铁等弱磁体强磁体第9页/共46页第十页，共46页。MH铁磁性材料(cilio)亚铁磁性材料(cilio)顺磁性材料(cilio)反铁磁性材料抗磁性材料五类磁体的磁化曲线0第10页/共46页第十一页，共46页。第11页/共46页第十二页，共46页。外加磁场(cchng)所感生的轨道矩改变抗磁性d1TORH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(yn wi)被较强的顺磁性所掩盖而不能表现出来。第12页/共46页第十三页，共46页。 外磁场穿过电子轨道(gudo)时，引起的电磁感应使轨道(gudo)电子加速。根据Lenz 定律，由轨道(gudo)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。第13页/共46页第十四页，共46页。每个原子内有 z 个电子，每个电子有自己的运动轨道(gudo)，在外磁场作用下，电子轨道(gudo)绕 H 进动，进动频率为，称为Lamor进动频率。由于轨道(gudo)面绕磁场进动，使电子运动速度有一个变化v，电子轨道(gudo)磁矩增加，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(gudo)磁矩减小，表现出抗磁性。第14页/共46页第十五页，共46页。第15页/共46页第十六页，共46页。无论(wln)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(wiji)磁场H 的作用下，产生的的抗磁矩为2204lee r Hmm 式中，负号表示ml与H 的方向相反;分母(fnm)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22014zatiie Hmrm 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16页/共46页第十七页，共46页。第17页/共46页第十八页，共46页。第18页/共46页第十九页，共46页。第19页/共46页第二十页，共46页。 物质的顺磁性主要源于原子(yunz)内部存在永久磁矩。 3. 物质(wzh)的顺磁性 顺磁性描述的是一种(y zhn)弱磁性，它呈现出正的磁化率，大小 为10-6 10-3. ，居里外斯定律，居里定律PPPTTCTCC为居里常数，TP为顺磁性居里温度。Td/ 1OTdO 顺磁性的磁化率满足以下规律：少部分大部分表示在某一个温度之上才显示顺磁性第20页/共46页第二十一页，共46页。郎之万顺磁性理论(lln)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(fnb)，总磁矩为零，当施加外磁场时，各原子磁矩趋向于H方向。顺磁磁化(chu)过程示意图(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场第21页/共46页第二十二页，共46页。磁化率服从居里定律(dngl)或居里 外斯定律(dngl)。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(dngl)。稀土金属，在居里点以上的铁磁金属等。碱金属等。过渡族金属及其合金或它们的化合物。反铁磁体当温度高于尼尔点（TN）时，表现为顺磁体。第22页/共46页第二十三页，共46页。第23页/共46页第二十四页，共46页。 金属(jnsh)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(b hu)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。FqvB 第24页/共46页第二十五页，共46页。 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(cng r)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。 固体物理 “在恒定磁场中电子的运动”一节中已经解释了这种能量量子化的起因，并且以此解释了磁化率随磁场倒数呈周期性变化的现象（德哈斯-范阿尔芬效应）。具体内容这里不再重复，下面两张图生动地反映了朗道能级以及随磁场的变化。第25页/共46页第二十六页，共46页。 22221222zznckkEnmmk*ceBm能级宽度随磁场(cchng)变化第26页/共46页第二十七页，共46页。定性(dng xng)说明：黄昆书p266268DN能量能量(nngling)上升上升能量能量(nngling)不变不变能量上能量上升至最升至最大大能量上升又开能量上升又开始下降始下降第27页/共46页第二十八页，共46页。如果把电子(dinz)看成符合经典统计的自由粒子，同样用类似2.2节中的方法，可以得出抗磁磁化率的表达式： （详见姜书p42-43）213BedBNk T N为单位(dnwi)体积电子数。 上式给出的 与 T 有关(yugun)，这与事实不符，原因是电子气不遵从玻耳兹曼统计，而是服从费密 (Fermi) 统计。不是所有电子都参与了抗磁性作用，只有费密面附近的电子才会对抗磁性有所贡献。ed第28页/共46页第二十九页，共46页。其中 TF 为费密面能级 EF 决定的费密温度。用 N代替(dit) N后，得到 此时的磁化率与温度无关，称为朗道抗磁性。金属中的导电(dodin)电子除具有抗磁性外，还同时具有不可分开的顺磁性。32FNTNT2202232333228FFBBBEhNTNkmkmk21233ed243BmNh 索末菲电子论告诉我们，能参与(cny)贡献的电子数为 N, 第29页/共46页第三十页，共46页。第30页/共46页第三十一页，共46页。第31页/共46页第三十二页，共46页。第32页/共46页第三十三页，共46页。5. 影响(yngxing)材料抗磁性与顺磁性的因素在外磁场作用下 电子的循轨运动要产生抗磁矩； 离子(lz)的固有磁矩产生顺磁矩，固有磁矩 来自于未相互抵消的自旋磁矩； 自由电子的主要贡献是顺磁性。第33页/共46页第三十四页，共46页。第34页/共46页第三十五页，共46页。2. 温度(wnd)的影响抗磁性：在相变温度(wnd)（熔化、凝固、同素异构转 变）影响抗磁磁化率；顺磁性：影响很大。CTCT居里(j l)定律居里-外斯定律第35页/共46页第三十六页，共46页。3. 相变及组织转变(zhunbin)的影响当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子(yunz)间距发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时，也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。第36页/共46页第三十七页，共46页。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，从而使材料的抗磁性减弱。例如，当高度加工硬化时，铜可以由抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反(xingfn)，能使铜的抗磁性重新得到恢复。第37页/共46页第三十八页，共46页。4. 合金成分与组织(zzh)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，形成固溶体合金时磁化率因原子之间结合的改变而有较明显的变化通常，由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近(jijn)于直线的平滑曲线变化，如Al-Cu合金的固溶体等。由抗磁金属为溶剂、强顺磁金属(或铁磁金属)为溶质形成固溶体时，情况则比较复杂。当固溶体合金有序化时，由于溶剂、溶质原子呈现有规则的交替排列，使原子之间结合力随之改变，因而导致合金磁化率发生明显变化。第38页/共46页第三十九页，共46页。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(gyu)原子磁矩，所以中间相的抗磁性很高。当形成两相合金(hjn)时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。第39页/共46页第四十页，共46页。Cu-Zn合金(hjn)的磁化率磁化率随合金(hjn)成分变化规律第40页/共46页第四十一页，共46页。第41页/共46页第四十二页，共46页。6. 测量(cling)及应用1）用磁秤法测量(cling)磁化率磁称结构(jigu)原理示意图zdHFVHdzii1212皮埃尔居里发明，主要用于弱磁性测量。磁秤法的优点： 不仅适合弱磁性的测量， 也适用于铁磁性的测量； 可进行连续测量，如可对加热 和冷却过程中的组织的变化及 合金的相分析进行跟踪研究。第42页/共46页第四十三页，共46页。2）抗磁与顺磁分析(fnx)的应用材料研究：通过磁化率的变化来分析合金组织的变化，材料研究：通过磁化率的变化来分析合金组织的变化， 以及以及(yj)这些变化与温度和成分之间的关系。这些变化与温度和成分之间的关系。(1) 确定(qudng)合金相图中的最大溶解度曲线原理：单相固溶体的顺磁性与两相混合组织的顺磁性不同，且混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律。第43页/共46页第四十四页，共46页。(2) 研究(ynji)合金的分解对于顺磁性合金，可以通过(tnggu)磁化曲线的改变研究其分解的情况。这个方法很适于用来研究(ynji)铝合金时效不同阶段的情况，对于研究(ynji)奥氏体钢与铸铁用得也较多，可以测出奥氏体钢中的微量铁素体。例：研究含铜量5%的铝合金淬火后的分解情况。测定磁化率还可以用于研究材料有序无序转变、同素异构转变与确定再结晶温度等。第44页/共46页第四十五页，共46页。第45页/共46页第四十六页，共46页。