物質(zhì)的磁性起源和超交換作用

關(guān)于物質(zhì)的磁性起源和超交換作用第1頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁性起源原子的磁性來(lái)源于原子中電子及原子核的磁矩。

因?yàn)樵雍吮入娮又?000倍左右，其運(yùn)動(dòng)速度僅為電子速度的幾千分之一，故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾，可以忽略不計(jì)；

電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格的作用，其方向是變化的，不能形成一個(gè)聯(lián)合磁矩，對(duì)外沒(méi)有磁性作用。因此，物質(zhì)的磁性不是由電子的軌道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。第2頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子軌道磁矩

電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于有電流的閉合回路,它產(chǎn)生一個(gè)磁矩.

由于軌道平面有不同的方向,在有外磁場(chǎng)的的情況下,電子軌道磁矩在磁場(chǎng)方向上的分量為:

角量子數(shù)l＝0，1，2…n-1（n個(gè)取值）磁量子數(shù)ml＝0、±1、±2、±3??????±l（2l+1個(gè)取值）第3頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月l＝0時(shí)，即s態(tài)，Pl＝0，μl＝0(特殊統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài))；l≠0時(shí)，如果電子殼層中無(wú)單電子，在填充滿電子的次殼層中，各電子的軌道運(yùn)動(dòng)分別占了所有可能的方向，形成球形對(duì)稱分布體系，那么合成的總角動(dòng)量等于零，μl

＝0；如果電子殼層中存在單電子，那么合成的總角動(dòng)量不等于零，μl≠0，且μl不是

μB的整數(shù)倍。計(jì)算原子的軌道磁矩時(shí)，只考慮未填滿的那些次殼層中的電子——這些殼層稱為磁性電子殼層。第4頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子自旋磁矩電子自旋磁矩在外磁場(chǎng)方向分量等于一個(gè)μB，取正或取負(fù)。在外磁場(chǎng)上的分量第5頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子總磁矩可寫(xiě)為：第6頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超交換作用

鐵氧體是由多種金屬原子和氧原子所組成的化合物,在鐵氧體的晶格中,最相鄰的A位和B位上的金屬離子Me2+(rMe=0.06~0.09nm)被離子半徑較大的非磁性氧離子O2-(ro≈0.132nm)隔開(kāi),金屬離子Me2+間的距離實(shí)在太大,以致于電子不可能有直接的交換作用。1934年,克拉默斯首先提出了一種交換作用模型一超交換作用模型:反鐵磁性和亞鐵磁性物體內(nèi)的磁性離子之間的交換作用是通過(guò)隔在中間的非磁性離子為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)的,故稱為超交換作用。因此，鐵氧體的交換作用是通過(guò)隔在中間的非磁性氧離子為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)的超交換作用。第7頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超交換作用原理（以MnO為例）

超交換作用原理（a）基態(tài)；（b）激發(fā)態(tài)為分析方便，我們?nèi)●詈湘I角為180度情況。基態(tài)時(shí)，Mn2+離子的未滿電子殼層組態(tài)為3d5，5個(gè)自旋彼此平行取向，O2-的最外層電子組態(tài)為2p6，其自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量都是彼此抵消的，無(wú)凈自旋磁矩，它們的排列情況如圖（a）所示。這種情況下，Mn2+與O2-的電子波函數(shù)在成180度鍵角方向時(shí)可能有較大的迭交，只是O2-離子無(wú)磁性，不能導(dǎo)致自發(fā)磁化。但是，由于有迭交，提供了2p電子遷移到Mn2+的3d軌道內(nèi)的機(jī)會(huì)，使體系完全有可能變成含有Mn2+和O2-的激發(fā)態(tài)。如圖（b）所示．第8頁(yè)，課件共11頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

O2-離子2p軌道向近鄰的Mn2+離子伸展，這樣2p軌道電子云與Mn2+離子電子云交疊，2p軌道電子有可能遷移到Mn2+離子中。假設(shè)，一個(gè)2p電子轉(zhuǎn)移到Mn2+離子的3d軌道。在此情況下，該電子必須使它的自旋與的Mn2+總自旋反平行，因?yàn)镸n2+已經(jīng)有5個(gè)電子，按照洪德定則，其空軌道只能接受一個(gè)與5個(gè)電子自旋反平行的電子。另一方面，按泡利不相容原理，2p軌道上的剩余電子的自旋必須與被轉(zhuǎn)移的電子的自旋反平行。此時(shí)，由于O-離子與另一個(gè)Mn2+離子的交換作用是負(fù)的，故O-離子2p軌道剩余電子與Mn2+離子3d電子自旋反平行取向。這樣，Mn2+的自旋必定為反平行排列。當(dāng)夾角是180度時(shí)，超交換作用最強(qiáng)，而當(dāng)角度變小時(shí)作用變?nèi)?，這就是超交換作用原理