1、第七章磁性物理剖析第七章 磁性物理7.2原子和离子的固有磁矩7.2.1 自由原子的磁矩1电子轨道磁矩(1)波尔原子结构模型:原子核外电子以角速度为w绕原子核做半径为r的圆周轨道运动。如右图电子轨道产生的磁矩电子运动产生的电流i:又根据电磁理论的定义,电流为i,面积为A的闭合回路中产生的磁矩为:-电子轨道磁矩另外,该电子运动的角动量Pl:上述推导是根据波尔的经典原子结构模型进行的,但是准确的电子运动要用量子力学中的波函数来描述。利用量子力学模型,电子的绝对值Pl是量子化的,不连续:(2)量子力学模型 h是普朗克常数;l为角量子数,它和主量子数n有关。根据公式 波尔磁矩,理论上最小的磁矩 将电子放
2、在外磁场中,根据量子理论,轨道磁矩在外磁场方向的投影为: ml为磁量子数,ml0,l, 2, 3, l,共(2l+1)个值。注:在填满了电子的次电子层(s、p、d、f、)中,各电子的轨道运动分别占据了所有可能的方向,形成一个球形对称体系,因此合成的总轨道角动量等于零,总轨道磁矩也等于零。 所以计算原子的总轨道磁矩时,只需要考虑未填满的那些次壳层中电子的贡献。2电子自旋磁矩自旋运动产生的磁矩为:s为自旋量子数,它仅能取1/2. 自旋磁矩在磁场中的投影为:如果s、p、d、f等次电子层填满了电子时,电子总磁矩也为零。所以计算原子的总自旋磁矩时,只需要考虑未填满的那些次壳层中电子的贡献。3原子的总磁矩
3、LS耦合原子的总磁矩是电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和。原子内各电子轨道磁矩先组合成原子总的轨道磁矩;各电子的自旋磁矩先组合成原子总的自旋磁矩;然后两者在耦合成原子的总磁矩。演算之后当L=0时,J=S,g=2,原子总磁矩由自旋磁矩贡献。当S=0时,J=L,g1,原子总磁矩由轨道磁矩贡献。HunD洪堡法则(总角量子数J的计算) LS耦台的情况下,对那些次电子层未填满电子的原子或离子,在基态下,其总角量子数J与总轨道量子数L和总自旋量子数S的取值为: (1)在未填满电子的那些次电子层内,在泡利(Pauli)原理允许的条件下,总自旋量子数S取最大值,总轨道量子数L也取最大值。 (2)次电子层未填满一半时
4、,原子总角量子数JL-S;次电子层满一半或满一半以上时,原于的总角量子数JL+S。7.2.2物质中的原子磁矩 1、铁氧体中的原子磁矩 在主要由Fe等3d过渡族离子组成的铁氧体晶体时,其特点是对磁性有贡献的3d电子基本固定在原子周围,它受到了邻近离子原子核的库仑场以及电子作用,这一作用的平均效果等效为一个电场,称为晶体场。在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩,而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。轨道角动量冻结的物理机制: 过渡金属的3d电子轨道暴露在外面,受晶场的控制。晶场的值为102-104(cm-1)大于自旋-轨道耦合能(l)102(cm-1). 晶场
5、对电子轨道的作用是库仑相互作用,因而对电子自旋不起作用。随着3d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂,轨道角动量消失。 2、金属及合金中的原子磁矩 理论计算:FeNi金属及其合金的磁矩为B的整数倍; 实验结果:2.2B 解释:能带理论 能带重叠,同样能量的电子可以进入3d,也可以进入4s,所以不能将3d看做孤立电子来考虑。 3、稀土金属中的原子磁矩 在稀土金属材料中,由于产生磁性的4f电子在处于5s25p6电子的内层,受到外层电子的屏蔽,很少受到周围晶场影响,晶场对它的磁性影响远小于过渡族元素。因此一般认为自由原子的磁矩就是材料中原子的磁矩。但是轨道角动量没有消失,轨道自旋耦合作用很强,通过轨道自旋的耦合,会产生强烈的磁晶各向异性。
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