抗磁性与顺磁性
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。
物质顺磁性和抗磁性的产生原因
物质顺磁性和抗磁性的产生原因顺磁性和抗磁性的原因磁性是物质的一种基本属性。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质～抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质 ( 参考文献1 )。
从上面的介绍看出，任何物质都会显示磁性，并且物质从顺磁性到反磁性、磁性从强到弱是逐渐变化的，没有一个明显的界限。
物质的磁性到底是怎么产生的，本文就此观点提出我自己的看法。
一、现在的理论给人们带来的疑惑1、顺磁性:现在人们认为，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。
在晶体中～电子的轨道磁矩受晶格的作用～其方向是变化的～不能形成一个联合磁矩～对外没有磁性作用。
因此～物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起～而是主要由自旋磁矩引起。
每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。
是原子磁矩的单位。
因为原子核比电子重2000倍左右～其运动速度仅为电子速度的几千分之一～故原子核的磁矩仅为电子的千分之几～可以忽略不计。
( 参考文献2 ) 我认为上面这段论述是不合理的，我们都知道，原子是由原子核和核外电子组成，原子核又是由质子和中子组成，原子核的体积约为原子体积的几千万亿分之一,(半径约为原子的十万分之一 ).打个比方,原子相当于足球场那么大,而原子核则只有一只蚂蚁那么大。
,参考文献 3,。
电子的质量约为质子质量的1/1836 ( 参考文献4 )。
中子能够通过β衰变过程变成质子、电子和反中微子～ (参考文献5 )。
从这些论述可想而知，电子的体积会有多大，电子的体积不会超过质子和中子体积的千分子一。
即从电子的角度来看原子，原子就象是一个非常巨大的宇宙一样。
由于电子的体积很小很小，即使电子自旋产生的磁场较强，它影响的范围必然很小很小，不可能影响到原子以外，因此电子自旋产生的磁场在宏观上是显示不出来的，如果能显示出来，电子产生的磁场就强大的无法想象了。
上面还提到原子核的磁矩很小，可以忽略，这个观点我觉得也是错误的，人们现在只是从质量上去考虑对磁矩的影响，而把其它因素忽略了，比方说原子核的体积。
第25讲8-4铁磁性分子场理论课件(1)
磁晶各向异性常数K1和K2或K1+K2是衡量材 料的磁晶各向异性大小的重要常数，它的大 小与晶体的对称性有关。晶体的对称性越低， 它的K1+K2的数值越大。K1和K2是本性特性，主 要决定于材料的成分
用自旋-轨道相互作用解释磁晶各向异性 的起源的中心思想
立方晶体的磁致伸缩系数的表达式：
λs=λ100*3/2(α12β12+α22β22+α32β321/3)+ 3λ111 (α1α2β1β2+α2α3β2β3 +α3α1β3β1)
式中αi和βi分别是磁化强度矢量和测量方向 与立方晶体的三个晶轴夹角的方向余弦：λ100和 λ111分别是〈100〉和〈111〉晶轴的饱和磁致伸 缩系数
Ek= K1 (α12α22+α22α32+α32α12) + K2 (α12α22α32)
式中K1, K2称为磁晶各向异性常数。当K2 很小时，可以只用K1来描述立方晶体的磁晶各 向异性能Ek
对于六角晶体，如果易磁化轴是晶体的 六重对称轴，那么易磁化轴只有一个，所以 称为单轴晶体。单轴晶体磁晶各向异性能是 sinθ的函数，即Ek=f(θ)。将此式按泰勒级 数展开
当晶体的磁致伸缩是各向同性时，则 λ100=λ111=λ0
λs=λ0*3/2(α1β1+α2β2+α3β3-1/3) = λ0*3/2（cos2θ- 1/3）
式中θ是磁化强度矢量方向与测量方 向之间的夹角。当θ=0,λs=λ0; θ=π/2, λs=-λ0/2，说明当纵向伸长时，横向要收 缩。
多晶体与单晶体磁致伸缩系数的关系为
RKKY理论中心思想是：
在稀土金属中4f电子是局域的，6s电子 是游动的。f电子与s电子发生交换作用,使s 电子极化，这个极化了的s电子的自旋对f电 子自旋取向有影响；结果形成了以游动的s 电子为媒介，使磁性离子的4f电子自旋与相 邻的离子的4f电子自旋存在间接交换作用， 从而产生自发磁化。
原子`离子的磁矩(顺`抗磁)
率温度关系服从居里-外斯定律。
C
4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。
T Tp
5. 磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。
构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完 全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最 大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论， 但仍有很多问题有待后人去解决。
在测量材料磁化曲线前可以通过交流退磁；形变退磁； 热退磁等方法，使材料达到退磁状态。
2.磁化曲线 反映材料特性的基本曲线，从中可以得到标
志材料的参量：饱和磁化强度Ms、起始磁化率a 和最大磁化率m
Ms
Ms可以理解为 该温度下的自
发磁化强度M0
顺磁性物质磁化曲线 抗磁性物质磁化曲线
铁磁体的磁化过程
就是亚铁磁性物质上世纪3040年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性的氧化物但其宏观磁性质和铁磁物质相似很长时间以来人们并未意识到它的特殊性1948neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后人们才认识到这类物质的特殊性在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似但宏观表现上却更接近于铁磁物质
1.3 宏观物质的磁性
O2,有机物中的双自由基等
3. 铁磁性（Ferromagnetism)
这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：
1. >>0，磁化率数值很大， 100 105
2. 磁化率数值是温度和磁场的函数；
3. 存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里 温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化
1.77 39.95 0.85
-28.0
3.09 83.80 1.03
-43
3.78 131.3 1.24
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。
原子`离子的磁矩(顺`抗磁)
姜书 p115
7. 超顺磁性（Superparamagnetism）
当铁磁颗粒减小到临界尺寸以下(1~10 nm)，微粒的各 向异性能远小于热运动能量，微粒的磁化矢量不再有确定的 方向时，铁磁粒子的行为类似于顺磁性一样。这些磁性颗粒 系统的总磁性叫做超顺磁性。普通顺磁性是具有固有磁矩的 原子或分子在外磁场中的取向，而超顺磁性是均匀磁化的单 畴粒子的原本无序取向的磁化矢量在外磁场中的取向。每 个单畴粒子包含较大数目的原子所以有大得多的磁矩。
一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：
(106 )
(106 )
见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74
2. 顺磁性（Paramagnetism）
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0<<<1。
顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里外斯（Curie-Waiss)定律。
反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。
广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1 ，它的机理 完全不同，不在我们讨论之内。
见姜书p25
CGS单位制克分子磁化率
体积磁化率
密度 原子量 ×10-6
ρn
-1.9
0.205 4
0.097
-7.2
1.51 20.18 0.43
-19.4
1.3 宏观物质的磁性
原子、离子的磁矩（顺、抗磁）
固
体
晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献）
磁
顺磁性和抗磁性
顺磁性和抗磁性
类似电介质的争论，从物质电结构来说明磁性的起源。
介质的分子（原子）中的全部电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和，称为分子磁矩。
分子的磁效应可用分子磁矩来表示，并可用具有相同磁矩的圆电流来替代分子。
设分子电流的电流强度为I，圆面积S，对应的分子磁矩为
式中en为圆电流平面法向单位矢量，它与电流方向成右手螺旋关系。
(1) 抗磁质
磁介质的分子磁矩为零，在外磁场中，各个分子中的电子都因拉莫进动而产生感应磁矩。
感应磁矩的方向与外磁场方向相反，相应的附加磁场的方向也与外磁场方向相反，使介质中的磁感应强度减弱。
抗磁质在外磁场中的磁化过程称为感应磁化。
(2) 顺磁质
磁介质的分子磁矩不为零，在无外磁场时，各个分子磁矩的方向完全无规章，宏观上不产生磁效应。
有外磁场时，各个分子磁矩将转向外磁场方向。
达到平衡时，分子磁矩将不同程度地沿外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场的方向与外磁场方向相同，使介质中的磁感应强度增加。
顺磁质在外磁场中也会消失感应磁矩，但它比分子磁矩约小5个数量级，因此完全可以忽视。
顺磁场在外磁场中的磁化过程称为取向磁化。
大学物理下15磁介质
二、 介质中的磁场 磁场强度
B B0 B
1、介质中的磁高斯定理
B
B0
B0 dS 0
s
B dS 0
s
B dS 0
s
2、有磁介质时的安培环路定理 磁场强度 无限大各向同性的均匀磁介质中： 磁场强度
H
B
0 r
B
单位（SI）: A/m
r : 介质的相对磁导率
0 r
称介 H dl I
L
第 15 章 磁介质
一、 顺磁性和抗磁性
传导电流产生
真空中： B0
磁介质中:
(类比电介质中的电场)
B B0 B
与介质有关的电流产生
无限大均匀磁介质中： B r B0
B 相对磁导率： r B0
r 1 r 1
抗磁质(铜、铋、硫、氢、银等) 顺磁质(锰、铬、铂、氧、氮等) 铁磁质(铁、钴、镍等) 完全抗磁性
r 1
r 0
几种磁介质的相对导磁率
磁介质种类 铋（293K） 汞（293K） 抗磁质 r＜l 铜（293K） 氢（气体） 液氧（90K） 氧气（293K） 顺磁质 r ＞1 铝（293K） 铂（293K） 铁磁质 r >>1 纯 铁 硅 钢 坡莫合金 相对导磁率 l－16.0×10-5 l－2.90×10-5 l－1.00×10-5 l－3.98×10-5 1＋769.9×10-5 l＋344.9×10-5 l＋1.650×10-5 l＋26.00×10-5 5 ×103（最大值） 7 ×102（最大值） 1 ×105（最大值）
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0 e2 H
4m
2 r i i 1
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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ຫໍສະໝຸດ 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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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：
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。
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 ) 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。