第一课物质磁性的来源

因为原子能量最低时它最稳定,所以电子在填充进原子 时总是先填充能量低的,再填充能量高,不能所有电子都 填在能量低级上.
3.3原子核外电子的排布规律
A.电子按能量高低在核外分层排布 B.电子总是尽先排布在能量最低的电子层里。 C.每个电子层最多只能排布2n2个电子。 D.K层为最外层时，最多只能容纳2个电子。 E.其它各层为最外层时，最多只能容纳8个电子。 F.次外层最多不超过18个电子。
个玻尔磁子μB取正反向,所以μS=±μB 电子自旋磁偶极矩μS与自旋角动量Ps关系为 μS=-γS Ps 式中γS=μ0e/m,称为自旋磁化. 计算原子的总磁偶极矩时,也只需考虑未填满的次壳层
中的电子.
4.物质磁性的来源
4.4铁磁物质中的原子磁矩和离子磁矩
在Fe,Co,Ni这类铁磁物质的晶体中,由于原子子(或离子)的有 规则排列,造成空间周期变化的静电场,它对原子的轨道运动 产生很大的影响,使电子无能无力的轨道平面摇晃不定.
4.物质磁性的来源
4.物质磁性的来源
4.9自发磁化
铁磁性物质在很弱的磁场下(0.01奥斯特)就能磁化到接近饱和这 一事实证明:这些物质内部的原子子磁矩在没有外磁场时就已经以 某种方式排列起来了,也就是说已经达到一定的磁化程度,这称为 自发磁化.
为什么铁磁性物质非要经外磁场磁化才显宏观磁性呢? 原子来,铁磁性物质的自发磁化是在个小小的区域内产生的,在每
4.物质磁性的来源
4.7铁族元素磁性简述
铁族元素的磁性最强,这些过渡族金属元素的磁行为特点是d壳层上的磁性 电子对磁矩作用贡献,但d南壳层上的电子受外界环境影响大,存在轨道角 动量”冻结”现象,按
μj=gj√J(J+1)
式中:J原子总角量子数; gj 兰德因子,可由实验精确测定, gj=1时原子磁矩由自旋磁 矩贡献, gj=2时 原子磁矩由轨道磁矩贡献, gj在1~2之间时两者共同贡献;
径向分布外磁场中，平面载流线圈受力矩偏转。许多电机和电学
仪表的工作原理即基于此。

在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因
自旋具有自旋磁矩；原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都
具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细结构，磁场中
的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有
2. 副量子数 l 0,1,2,, n 1
决定电子绕核运动的角动量 亦影响电子能量 L l(l 1)
原子序数56的多电子原子的能级高低可用经验公式：
n 0.7l 大的能级高
3.4多电子原子的核外电子状态
3. 磁量子数 m 0,1,2,,l
决定电子绕核运动角动量的空间取向 Lz m
μ原= μ0 m原
4.物质磁性的来源
4.2电子的轨道磁矩
电子绕原子核作轨道运动,相当于有电流的闭合回路,它产生一个磁 偶极矩. 由于轨道平面有不同的方向,在有外磁场的的情况下,电子轨道磁偶 极矩在磁场方向上的分量为:
μlz=m1·μB
式中:m1为磁量子数
μB=(μ0e/2m)h/2π=1.165×10-29(韦伯·米),称为玻尔磁子,是磁 偶

μ0是真空磁导率.
把物体放在磁场中,物体就被磁化了,其磁化强度M与磁场强度H的 关系为M=XH
式中X称为物质的磁化率(有些称为相对磁化率, 而把μ0 X=J/M称
为磁化率)
4.物质磁性的来源
按X的大小可把物质分为三类:
一.X<0,这类物质称为抗磁性物质,/X/约为10-5 ,这类物质的M 与H反向.
4.5如何计算未抵消的自旋磁矩数:
例1:Fe原子 铁原子的基态
A. 铁原子有26个电子,它们在各壳层的填充方式(组态)为 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d6,4s2 其中未填满的次壳层是d层,. B. d层5个不同方向的轨道,每个轨道上可容纳自旋一正一反两个电子, 所以d可以容纳10个电子,而现在只填了6个电子,而在填充时,先在5 个轨道上分别填上一个电子,它们的自自旋磁矩是互相平行(主样能 量最低)然后再填充其余的电子,其自旋方向与先填的5个电子相反,所 以铁原子3d层上的6个电子应该是这样分布的
→→→→→ ←
C. 因为每个电子的自旋磁偶极矩的在外样场方向上的分量是一个玻 尔磁子,所以未被抵消的自旋磁偶极矩应该是
μSz= 5μB-1μB =4μB
4.物质磁性的来源
例2:Fe3+ Fe3+的基态 Fe3+有23个电子,组态是1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d5不满也是
3d层,按照上述的填充方式3d层的5个电子应该是这样 分布的
↑↓
↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓↓
2
6
10
14
32
3.5原子核外电子的运动
电子运动：轨道运动+自旋运动
A.电子的运动→以接近(0.95倍)光速绕原子核作圆周运 动→从而产生轨道磁矩.
B.电子本身是有自旋的→从而产生电子自旋磁矩 C.分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋
当轨道角动量不作用时就出现总量子数J近似等于自旋量子数S,这 时只有自旋磁矩对晶体的离子磁矩作贡献.
4.物质磁性的来源
4.8物质的宏观磁性
描述物质的磁性,我们用单位体积内的总磁偶极矩或总磁矩来表
示:J=μ0M
式中:J是单位体积内的总总磁偶极矩,称为磁极化强度

M是单位体积内的总磁矩,称为磁化强度
所以电子的轨道角动量或者它在某一方向上的分量不能稳 定的值,因而轨道角动量平均起来可能为零,不能产生轨道磁 矩,对外不表现磁性,这和情况我们称为:轨道磁冻结.
因此在晶体中,原子的轨道磁矩对原子的总磁矩没有贡献,在 这种情况下:原子的磁矩只能来源于未填满壳层中电子的未 被抵消的自旋磁距.
4.物质磁性的来源
物质磁性的来源
1.基本磁现象. 2.电与磁的关系. 3.物质原子结构. 4.物质磁性的来源.
1.基本磁现象.
一.自然界存在的磁现象
我们的地球本身就是个大磁体
1.基本磁现象.
阻挡太阳高能粒子(太阳风)是地球磁场其中作用之一 有效地保护地球生物免受伤害
1.基本磁现象.
中国古代四大发明之一司南(指南针) 但多数时候被用来看风水(罗盘)
二. X>0, X<=0这类物质称为顺磁性物质,M与H同向,X约为 10-3~ 10-5 .
三. X>=0,这类物质称为铁磁性物质,它们的磁性称为铁磁性.
Fe,Co,Ni及它们的合金,Cr和Mn的一些合金都是铁磁性物质, 它们的磁化率为10~105 .
铁磁性物质当温度升高到一定就会转化为顺磁性物质,该温度 点叫居里温度点.
ss
p
s
p
d
0 0 -1 0 1 0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2
MS
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
状态数或 最多电子
数
n 主壳层
l 次壳层
M
MS
状态数或 最多电子
数
2
6
2
6
10
2
8
18
4
N
0
1
2
3
s
p
d
f
0 -1 0 1 -2 -1 0 1 2 -3 -2 -1 0 1 2 3
→→→→→ 结果未抵消的自旋磁偶极矩是
μSz= 5μB
4.物质磁性的来源
4.6一些金属离子的磁矩
离子
未抵消电子数
Cr3+ ,Mn4+
3
Cr2+ ,Mn3+
4
Mn2+, Fe3+, Co4+
5
Fe2+, Co3+
4
Co2+, Ni3+
3
Ni2+
2
Cu2+
1
Cu+, Zn2+
0
离子磁矩μB
3 4 5 4 3 2 1 0
那么一些在宏观上显磁性的物质是 否存在着电流呢?
3.物质原子结构.
3.1原子结构图
3.物质原子结构.
3.2原子核外电子的排布规律
核外电子排布必需遵守的两个原理 A.泡利不相容原理:同一系统中，不能有两个或两个以上
的费米子具有完全相同的量子态 就是说在原子中不能有两个电子处于同一状态上,原子 中的电子都处于不同的状态. B.能量最小原理电子在原子轨道上分布，要尽可能使整个 原子系统能量最低。
计算的离子磁矩要比实验值大,这是因为上式是对原子自由状态下获得的, 即μj不受周围其它原子的相互作用时,由原子自身的总角动量矩所产生的 磁矩.而实际测得的磁矩,并不是单个自由原子或离子子的磁矩. 例如,铁原子它的组态是: 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d6,4s2 ,其基态量子数有 S=2,L=2,J=4,g=3/2,由上式计算出磁矩应是6.7μB.但实测得铁原子磁矩 是2.22μB,两者相差甚大.
μs=2√S(S+1)
1.73 2.83 3.87 4.9 5.92 4.9 3.87 2.83 1.73
μs(实测值)
1.8 2.8 3.8 4.9 5.9 5.4 4.8 3.2 1.9
从上表可以看出,铁金属离子的磁矩的实验值,只与式 μS=2√S(S+1)
( 注:S为总自旋量子数)计算很接近,而与式 μj=gj√J(J+1) 计算相差 很大.这说明铁族元素的离子磁矩主要由电子的自旋作贡献,而电 子磁矩很小甚至于不作贡献.这可以由轨道角动量”冻结”的理论 来解释.