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磁性起源原子的磁性來源于原子中電子及原子核的磁矩。

因為原子核比電子重2000倍左右，其運動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；

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，不能形成一個聯(lián)合磁矩，對外沒有磁性作用。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,共11頁，2024年2月25日，星期天電子軌道磁矩

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

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

角量子數(shù)l＝0，1，2…n-1（n個取值）磁量子數(shù)ml＝0、±1、±2、±3??????±l（2l+1個取值）第3頁,共11頁，2024年2月25日，星期天l＝0時，即s態(tài)，Pl＝0，μl＝0(特殊統(tǒng)計分布狀態(tài))；l≠0時，如果電子殼層中無單電子，在填充滿電子的次殼層中，各電子的軌道運動分別占了所有可能的方向，形成球形對稱分布體系，那么合成的總角動量等于零，μl

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

μB的整數(shù)倍。計算原子的軌道磁矩時，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,共11頁，2024年2月25日，星期天電子自旋磁矩電子自旋磁矩在外磁場方向分量等于一個μB，取正或取負(fù)。在外磁場上的分量第5頁,共11頁，2024年2月25日，星期天電子總磁矩可寫為：第6頁,共11頁，2024年2月25日，星期天超交換作用

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,金屬離子Me2+間的距離實在太大,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隔在中間的非磁性離子為媒介來實現(xiàn)的,故稱為超交換作用。因此，鐵氧體的交換作用是通過隔在中間的非磁性氧離子為媒介來實現(xiàn)的超交換作用。第7頁,共11頁，2024年2月25日，星期天超交換作用原理（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?；鶓B(tài)時，Mn2+離子的未滿電子殼層組態(tài)為3d5，5個自旋彼此平行取向，O2-的最外層電子組態(tài)為2p6，其自旋角動量和軌道角動量都是彼此抵消的，無凈自旋磁矩，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度鍵角方向時可能有較大的迭交，只是O2-離子無磁性，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，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,共11頁，2024年2月25日，星期天

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，因為Mn2+已經(jīng)有5個電子，按照洪德定則，其空軌道只能接受一個與5個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，由于O-離子與另一個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，超交換作用最強(qiáng)，而當(dāng)角度變小時作用變?nèi)?，這就是超交換作用原理。第9頁,共11頁，2024年2月25日，星