物质的磁性(I)——抗磁性、顺磁性和铁磁性
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。
（2）物质的磁性
（2）物质的磁性⽬录：（⼀）、洪德法则（⼆）、磁性的本质是什么，活着怎么从微观的⾓度解释磁性产⽣的原因（三）、外斯分⼦场（四）、物质的抗磁性是怎样产⽣的？为什么说抗磁性普遍存在（五）、顺磁性朗之万理论的内容是什么？在量⼦⼒学范畴内如何对其修正？（六）、铁磁性物质是怎样实现⾃发磁化的，为什么通常未经磁化的铁都不具有磁性（七）、阐述物质铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性之间区别和联系（⼋）、交换作⽤模型与超交换作⽤模型的内容分别是什么。
（九）、量⼦⼒学简介（⼀）、洪德法则洪德法则（Hund's rules）简单说就是，⼀个轨道上⼀般都有⼏个“兼并能级”，例如图5中的2p轨道有3个能量⼀样的兼并能级。
在这种情况下，电⼦先⼀个萝⼘⼀个坑把所有的都占⼀遍，如果还剩电⼦，才会⼀个配⼀个的占满这些能级。
图5 （侵删）基于这些规律，我们会发现⼀个有趣的事实：在元素周期表中1. 惰性⽓体（ⅧA）的核外电⼦都恰好是全部成对的，因此不可能有净胜⾃旋；2. 主族元素（ⅠA ~ⅫA）虽然都有未配对电⼦，但在形成化合物时，这些电⼦⼀般都会成为价电⼦参与配对成键，因⽽也⼤都不具备明显的磁性；3. 只有过渡族元素具有⾮价电⼦的净剩⾃旋，因⽽也就是不同材料中磁性的主要承载者。
（⼆）、磁性的本质是什么，活着怎么从微观的⾓度解释磁性产⽣的原因作为⼀种物理场，磁场是看不见、摸不着但⼜客观存在的特殊物质。
它是磁性相互作⽤的媒介，有点神秘但却实实在在影响着我们的⽣活。
⽽题主的困惑来源于我们对磁性产⽣原因的混淆。
磁场的产⽣可以分为两⼤⽅⾯（如图1所⽰）：1、以运动电流为基础；2、以基本粒⼦的量⼦特征—⾃旋为基础。
我们需要将这两部分独⽴进⾏阐述。
题主所说的“⾼中我们就学习过，变化的电场周围会产⽣磁场”正是第⼀种起源，⽽题主接着提到的“⽐如⾮晶体中的磁性，另外有些晶体材料同样不具备明显的磁性等等”尽管不对，但其实指的就是第⼆种起源。
2. 我想多说的是第⼆个起源：以⾃旋为基础的铁磁性物质中的磁性。
磁性物质知识点
磁性物质知识点磁性物质是指具有磁性能力的物质，其在外磁场的作用下会对磁场体现出各种性质和行为。
对于磁性物质的了解，有助于我们理解其在生活和科技中的应用。
本文将介绍磁性物质的基本概念、性质和分类，并探讨其在不同领域的应用。
一、磁性物质的基本概念磁性物质是指能够吸引铁和放出磁性的物质。
根据磁性的强弱，磁性物质可以分为强磁性物质和弱磁性物质。
磁性物质通常由微观颗粒组成，这些颗粒中的每个颗粒都具有微小的磁性。
在没有外磁场作用下，这些颗粒的磁性相互混乱，不表现出明显的磁性。
当外磁场作用于磁性物质时，这些微观颗粒的磁性将被导向，使得整个物质体现出磁性行为。
二、磁性物质的性质1. 磁化性：磁性物质在外磁场作用下，会被磁化，即形成磁化强度。
2. 磁导率：磁性物质的磁导率大于真空或空气的磁导率。
3. 磁滞回线：当外磁场强度增大或减小时，磁性物质的磁化强度也随之增大或减小，但不是线性关系。
这种非线性的关系可以通过磁滞回线来表示，磁滞回线可以帮助我们对磁性物质的磁化行为进行分析。
4. 磁畴：磁性物质内部存在着各种微观磁畴，每个磁畴都具有自己的磁化方向。
在没有外磁场作用时，磁性物质的磁畴是杂乱无章的。
而在外磁场作用下，磁畴会重新排列，使整个物质体现出统一的磁性。
5. 居里温度：磁性物质表现出磁性的温度范围被称为居里温度。
在居里温度以下，磁性物质呈现出铁磁性，居里温度以上则呈现出顺磁性。
三、磁性物质的分类根据磁化强度和磁滞回线的关系，磁性物质可以分为顺磁性、铁磁性和抗磁性三种类型。
1. 顺磁性：顺磁性物质在外磁场作用下，磁化强度增大，并且磁滞回线是一个闭环。
常见的顺磁性物质有氧气、铜等。
2. 铁磁性：铁磁性物质在外磁场作用下，磁化强度可以达到很高，并且磁滞回线是一个闭环。
常见的铁磁性物质有铁、镍、钴等。
3. 抗磁性：抗磁性物质在外磁场作用下，磁化强度几乎为零，并且磁滞回线是一个开环。
常见的抗磁性物质有金铜合金、银等。
四、磁性物质的应用磁性物质在生活和科技领域中广泛应用，以下是一些典型的例子：1. 医学：磁性物质在医学成像中被广泛使用，如磁共振成像（MRI）。
材料磁学性能(材料科学基础)
h
2
（3）磁感应强度
真空
B。＝。H 。
B 磁感强度（Wb·m-2） (magnetic flux density)
H 磁场强度（A·m-1）(magnetic field strength)
0 真空磁导率，4×l0-7（H／m） (亨/米）
介质 B0(HM )HM: 磁化强度
h
3
（4）磁化率 χ(magnetic susceptibility)
➢ 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）
如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互 抵消，因而不显磁性。
h
5
（2）“交换”作用
铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外， 还决定于晶体结构。
处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种 相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子 已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故 称为“交换”作用。
由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。
a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直h 径
a/D ＞3时 交换能为正值， 为铁磁性 a/D ＜3时 交换能为负值， 为反铁磁性
磁性物理学第一章物质磁性概述-磁性物理
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
顺磁质→抗磁质→铁磁质分子
自旋运动→自旋磁矩 自
分子 圆电流
（2）分子的 “附加磁矩”
L
V
陀螺 进动
zW
L
M r F M B0
I
B0
L
L r v
ISn
B '、B0同向
如：铁、钴、镍等
注：顺、抗磁质是弱磁性材料,
铁磁质是强磁性材料。
2. 物质的磁性起源
从物质微观电结构来说明物质磁性的起源。
（1） 分子磁矩 分子中电子的运动 绕核运动 →轨道磁矩 轨 ISn
+
( pm )
分子 轨 自
*分子的 “固有磁矩”（分子磁矩）
附加磁矩是抗磁质产生磁效应唯一的原因 B0 I B
B0
分子与 B0方向永远相反 B与 B0 方向也相反, 所以抗磁体内 B B0
第2节 磁化强度与介质的磁化规律
Magnetization and Magnetizing Regularity of Materials 一、磁化强度矢量 M 为了表征物质的宏观磁性或介质的磁化程度， 引入物理量——磁化强度矢量。 1. 磁化强度矢量定义
×
i
M e
n
L M dl M l i l I i
r B
r 1 →顺磁质
r 1 →抗磁质
r 1 →铁磁质
分子（固有）磁矩
复习：
B0
分子≠ 0
分子 = 0
磁学学习题集
1. 顺磁性、抗磁性、铁磁性、反磁性的物理特征及代表性材料一、两种，它们的磁化率的温度关系。
金属导电电子的顺磁性（泡利顺磁性）磁化率FB E n 232μχ=的推导、各种抗磁性的来源。
顺磁性：一种弱磁性，呈现正的磁化率，数量级为10-5-10-2，磁性离子之间不存在明显的相互作用。
代表材料：FeCl2,CoCl2。
磁化率与温度的关系：居里定律和居里-外斯定律。
抗磁性：一种弱磁性，呈现负的磁化率，数量级为10-5，磁性离子之间不存在明显的相互作用，主要分为正常抗磁性和反常抗磁性（Bi ）。
代表材料：Ag,Ag,Cu 。
磁化率与温度的关系：正常抗磁性磁化率基本不随温度和磁场变化；反常抗磁性与温度和磁场有明显的依赖关系，在极低温下出现德哈斯-范阿尔芬效应。
正常抗磁性：电磁感应；反常抗磁性：导电电子受周期性晶格场的作用而引起的。
铁磁性：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列平行。
代表材料：Fe ，Co ，Ni,Fe3O4,Fe2O3。
磁化率与温度的关系：在居里温度以上，满足居里-外斯定律。
反铁磁性：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列反平行。
代表材料：MnO ，FeO 。
磁化率与温度的关系：在居里温度以上，满足居里-外斯定律。
金属导电电子的顺磁性推导：《铁磁学上》P57 2. 孤立原子的磁矩的组成。
用洪德法则分析单个离子（d 电子和f 电子）的磁矩。
原子组成晶体时轨道角动量冻结现象的理解、轨道角动量冻结的本质及其对磁矩的影响。
组成：轨道磁矩与自旋磁矩的耦合。
上P24分析例子：上P25。
轨道冻结：上P73。
3. 铁磁性的基本特征。
从唯象理论和交换作用理论的角度理解铁磁性物质的自发磁化和居里温度（包括反铁磁和亚铁磁情况）。
居里—外斯定律的推导、分子场的本质。
自旋波的理解与低温下铁磁体的磁化强度与温度的关系。
铁磁性基本特征：一种强磁性，在居里温度以下，存在自发磁化现象和分畴现象，近邻磁矩排列平行。
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁铁磁性铁磁性Ferromagnetism过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。
钐(Samarium)，钕(neodymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。
因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。
如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。
材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。
这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(C urie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。
1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。
外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。
在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（spontaneous magnetization）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为。
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量Pl在空间任意指定方向（如外磁场H的方向）的投影值 电子轨道磁矩的绝对值
电子轨道磁矩在空间任意指定方向的投影为
其中
为玻尔磁子，是物
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
第一章：物质的磁性（I） ——抗磁性、顺磁性和铁磁性
报告人：门聪杰
第一节：引言
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
磁性是物质的基本属性之一。从微观粒子到宏观物
体，乃至宇宙天体，都具有某种程度的磁性。
磁性形式
弱磁性质：抗磁性、顺磁性、反铁磁性
具有不同的
（宏观物体） 强磁性质：铁磁性、亚铁磁性
形成机理
物质的磁性在工农业生产、日常生活和现代科学技术 各领域中有着重要的应用。磁性材料已成为功能材料的 一个重要分支。故研究物质的磁性及其形成原理、探讨 提高磁性材料的用途和开拓磁性材料新应用领域成为当 代磁学的主要研究方法和内容。
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，
根据量子力学角动量的一般规律和以上的假设，可以证明，假如
电子自旋的分量
，
三、原子的磁性 核外电子在构造原子壳层时遵守两个定理：
磁性现象的认知过程
最早在春秋时代的《管子》、战国时代的《吕氏春秋》 中有关“慈石”的记载、公元前4世纪有关天然磁铁矿 （Fe2O3）的记载。公元前3世纪我国发明了指南针。公元前 6世纪希腊人台利斯有关磁性的著作。
从丹麦物理学家奥斯特发现电流效应开始逐步深入理解 磁性现象。法国物理学家安培提出“分子电流”是物质磁性 起源的假说、1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应 定律。
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， 光谱分裂因数
为朗德因数或
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。 它给出了含有未满电子壳层的原子或离子的基态量子数，其内容包 括以下三条：
按洪德定则计算的稀土离子的磁矩与实验值符合的较好；而按
磁性材料的研究和制备始于20世纪初。100多年来所取得的 具有代表性的成果：1900年研制出硅钢（Si-Fe合金）； 1920年研制出坡莫合金（Fe-Ni合金）；1932年研制出铝镍 钴永磁合金；1935年研制出尖晶石软磁铁氧化体；1952年 研制出磁铅石型永磁铁氧体；1953年研制出应用于计算机 的矩磁铁氧体；1956年研制出用于微波技术的石榴石型稀 土铁氧体；1966年研制出SmCo5永磁合金；1977年研制出 Sm2Co17永磁合金；1983年研制出Nd2Fe14B永磁化合物。 非晶态磁性、薄膜磁性、纳米材料磁性
第二节：原子的磁性
宏观物质的磁性主要由电子的磁矩所决定的。宏观物质 中的电子按其运动状态分为轨道电子和传导电子。
一、电子的轨道磁矩
电子的轨道磁矩是由于电子环绕原子核做轨道运动而产生的。 建立经典模型，以周期T沿椭圆轨道运 动的电子相当一个圆电流，电流强度 其产生的磁矩为
其中
为轨道面积。
电子运动的轨道角动量为
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。
海森堡理论模型属于局域电子模型，即认为对磁性有 贡献的电子定域于原子之中。与此同时，布洛赫又提出了 一个描写集体电子模式的能带模型（巡游电子模型），该 模型经莫特、斯东纳、斯莱特等人的发展形成了与局域电 子模型相对立的另一学派。但是这两模型在解释过渡金属 （Fe、Co、Ni）铁磁性方面都只能解释一部分实验事实。
L-S耦合和j-j耦合
原子序数不太大的原子（3d族、4f族元素）的基态或低激发态， 均属于L-S耦合；纯j-j耦合只发生在较重元素的激发态中。 举例说明L-S耦合的计算方法：
设两个电子的轨道角动量量子数分别为l1和l2，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
原子具有磁矩的结论是量子力学的基础上建立起来的。 1928年，海森堡提出了铁磁体的自发磁化来自量子力学中 交换作用的理论模型。为建立铁磁性理论奠定了基础。随 之低温自旋波理论、铁磁变相理论、铁磁共振理论相继建 立起来。20世纪30年代发现现在金属氧化物中存在反铁磁 性。1934年可拉默斯为解释这类物质中的反铁磁性提出了 超交换作用的理论模型。后来，安德森进一步发展了这一 理论模型，并成功地说明了金属氧化物中存在的反铁磁性。 而后，鲁德曼和基特尔、糟谷和芳田等人在交换作用理论 模型做了很多重要贡献。
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，率表轨。征道根状电据态子量的的子四运力动个学状量的态，解应释n以lm，l波m空s 函r间数2量表子n示lm数lms 的r物表该理示状
意义如下： 1）n=1,2,3....为主量子数，由它决定电子的能量。对于氢
原子，2）电l子=0的,1能,2量..为..,En-n1,为 轨2m道2en4角2 动。量量子数。它决定轨道角 动量的绝对值：
同样方法计算铁族离子的磁矩则与实验值差别较大。
推论：在基态下，满壳层电子的总角动量和总磁矩都为零。
原子的磁性的最直接的实验证明是塞曼效应。塞曼效应是原
子光谱线在磁场中的分裂。在弱磁场H中，每个能级En分裂为
2J+1个能级，能级间隔为 EH mJ gJ BH。多重能级间的跃迁遵循
“选择定则”：mJ 0,1
以上是反常塞曼效应。在强磁场中，
则为正常塞曼效应，这时矢量 和 间的耦合被拆散，能级分裂
间隔为
第三节、原子核的磁性
质子带有一个电子电量的正电荷，自旋角动量量子数为