第六章 固体的磁特性⚓
6.1 原子的磁性⚓
6.1.1 固有磁矩⚓
原子的固有磁矩包括轨道磁矩和自旋磁矩。
玻尔磁子 \(\mu_B=\dfrac{e\hbar}{2m}\) ，角动量量子化 \(L=l\hbar,S=s\hbar\) 。其中 \(l,h\) 分别为轨道角动量和自旋角动量的量子数。
电子轨道磁矩 \(\vec{\mu}_L=-\dfrac{e}{2m}\vec{L}=-\mu_B l\) ，负号表明电子轨道磁矩和轨道角动量方向相反。轨道运动磁旋比为 \(-\dfrac{e}{2m}\) 。
电子自旋磁矩 \(\vec{\mu}_S=\dfrac{e}{m}\vec{S}=-2\mu_B s\) ，自旋运动旋磁比为 \(-\dfrac{e}{m}\) 。
原子中总角动量 \(\vec{J}=\displaystyle\sum_i\vec{L}_i+\displaystyle\sum_i\vec{S}_i=\vec{L}+\vec{S}\) 。
原子总磁矩为 \(\vec{\mu}=\vec{\mu}_L+\vec{\mu}_S\) 。
角动量 \(J\) 和 力矩 \(M\) 有夹角，使得 \(M\) 绕 \(J\) 进动。由于进动频率很高，只有沿 \(J\) 的分量可以观察到，而垂直分量对时间的平均值为零。
6.1.2 感生磁矩⚓
磁场和原子互作用产生感生磁矩。外磁场对磁矩产生力矩，磁力矩使得角动量 \(L\) 发生变化， \(L\) 的末端产生一个角速度为 \(\Omega\) 的圆周运动——拉莫进动。
Note
在外磁场中，原子磁矩的3个来源为：电子轨道磁矩，电子自旋磁矩，外磁场下的感生磁矩。
6.2 固体磁性概述⚓
孤立原子的磁矩决定于原子的结构。原子由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能完全抵消而具有固有磁矩时，剩余磁矩的排布方式决定了总磁矩。
磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程，材料的磁矩在外磁场作用下发生变化。
磁化率 \(\chi=\dfrac{M}{H}=\dfrac{\mu_0 M}{B_0}\)，其中 \(M=N_0 \mu\) 为外磁场 \(B_0\) 作用下单位体积内的磁矩。
感生的 \(M\) 又会产生磁感应强度，磁化后物体内总磁感应强度 \(B=\mu_0(H+M)=\mu_0(1+\chi)H=\mu_0 \mu_r H=\mu H\) ，其中 \(\mu_0,\mu_r,\mu\) 分别为真空磁导率、相对磁导率、磁导率。
按照磁化率 \(\chi\) ，磁性的分类有：顺磁性（弱磁）、抗磁性（磁化率为负）、铁磁性（强磁）、反铁磁性（弱磁）和亚铁磁性（弱磁）。
6.2.1 抗磁性和顺磁性⚓
顺磁物质：磁化率 \(\chi\) 为正的物质。外磁场作用下，物体产生与外磁场方向相同的磁感应强度。
由于电子轨道磁矩和自旋磁矩不能全抵消而具有固有磁矩，在外磁场中固有磁矩有平行于磁场方向排列的趋势，从而显示出顺磁性。
居里定律 \(\chi=\dfrac{C}{T}\) 。随温度升高，磁化率减小。这是热运动影响磁矩按磁场方向排列的结果。假设原子间无互作用，没有外磁场时，热运动使得原子的磁矩取向混乱，宏观上不显示磁性。但当有外磁场作用时，各原子磁矩趋向磁场方向排列的几率大些，使得磁矩在磁场方向的平均值不为零，显示出宏观磁性；由于温度升高，使磁矩按磁场方向排列的几率变小，导致磁化率减小。
顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为 \(10^{-5}\)。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。
抗磁物质：磁化率 \(\chi\) 为负的物质。外磁场作用下，物体产生与外磁场方向相反的磁感应强度。例如 \(\ce{Bi,Cu,Ag,Au}\) 。
抗磁性物质的原子（离子）的磁矩为零，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为 \(-10^{-5}\)，为负值。
饱和电子结构的电子层被填满，它们的各电子轨道角动量和自旋角动量互相抵消，显示不出固有磁矩，在外磁场中仅有感生磁矩产生，因而显示抗磁性。未饱和的电子壳层结构也有抗磁性，但固有磁矩产生的顺磁性远大于抗磁性，从而使抗磁性显示不出来。
由于所有的物质都含有做轨道运动的电子，因而只要外加磁场存在，感生磁场就会存在，所以所以一切物质都含有抗磁性。
6.2.2 铁磁性⚓
铁磁性指没有外磁场时仍能够自发磁化的物质。诸如 \(\ce{Fe,Co,Ni}\) 等物质，在室温下磁化率可达 \(10^{-3}\) 数量级，称为铁磁体。
铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。其磁化率为正值。但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其磁化率变小。
主要铁磁性物质：铁钴镍和以它们为基的合金。铁磁性具有以下特征：
- 易磁化，而且是一种很强的磁性。
- 磁化过程中显示出磁滞现象。
- 存在一个铁磁转变温度，称为铁磁居里温度 \(T_c\) 。铁磁性只在铁磁居里温度以下才表现出来。超过这一温度时，铁磁性消失，物质变为强顺磁性，磁化率满足居里-外斯定律 \(\chi=\dfrac{C}{T-T_c}\) 。
Note
磁滞：强磁物质在外磁场的作用下磁性状态改变时，物质的磁化强度的变化滞后于外磁场强度。
反铁磁性：在原子自旋磁矩呈现有序排列的材料中，如果相邻原子自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。类似于铁磁性，反铁磁性存在转变温度 \(T_N\) ，称为奈尔温度。表现为弱顺磁性，磁化率 \(\chi\) 很小，取正值。代表物质有铬 \(\ce{Cr}\) ， \(\ce{FeMn}\) 等合金、 \(\ce{NiO}\) 等氧化物。
亚铁磁性：亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不尽的自发磁矩，类似于铁磁体。温度高于某一温度 \(T_c\) （居里温度）时，亚铁磁体变为顺磁体。铁氧体大多都是亚铁磁体。