[科普读物]顺磁性反磁性铁磁性

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战肥臀

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铁磁体定义
铁磁体磁化率χ>0，且绝对值很大，可达 10610^610^6 数量级，与外磁场呈非线性关系，具有自发磁化的现象。物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象，当外磁场消失，材料仍能保持一定的磁化率，如Fe、Co、Ni、Y、Dy等及其合金。铁磁体高温下不能存在，升温高于临界温度Tc后失去铁磁性成为顺磁体，该温度称为居里点或居里温度。

名词解释
顺磁性（paramagnetism）是指材料对磁场响应很弱的磁性。如用磁化率 k=M/H 来表示（M和H分别为磁化强度和磁场强度），从这个关系来看，磁化率k是正的，即磁化强度的方向与磁场强度的相同，数值为10－6~10－3量级。

一些原子核（如1H，7Li，11B，13C，17O等以及中子）具有磁矩，在磁场作用下会产生顺磁性，但其顺磁磁化率比电子对顺磁性的贡献小得多，只有10－6~10－10量级。因而在讨论物质的顺磁性时，可不计及核的顺磁性。

理论诠释
从原子结构来看，组成顺磁性物体的原子、离子或分子具有未被电子填满的内壳层，这类材料的原子、离子或分子中存在固有磁矩，因其相互作用远小于热运动能，磁矩的取向无规，使材料不能形成自发磁化。在经典理论中，磁矩在磁场中可取任意方向。所有这些材料中的原子或离子在磁场作用下所产生的磁矩都很小。如许多过渡金属和稀土元素的绝缘化合物，有机化合物中的自由基，以及少数顺磁性气体（如NO，O2），在一般情况下磁化率随温度的变化遵从居里定律：κ=C/T，式中C称为居里常数，T为温度。

一些材料中的磁矩虽有交换作用，如铁磁和亚铁磁材料，但在高于居里温度情况下的磁化率随温度的变化遵从居里－外斯定率：κ=C/(T－TP)。式中TP称为材料的顺磁居里温度。对于铁磁性物质交换作用为正，TP>0；对于反铁磁性物质交换作用为负，TP<0。

一些材料（如碱金属）不具有自发磁化，外层电子之间不存在交换作用，但它们在磁场中会产生感生磁矩，而具有较弱的顺磁性。范弗莱克的量子理论指出，这是不对称原子或分子的电子云极化所致，并不随温度改变。这类性质称范弗莱克顺磁性。

顺磁性N dF3磁化强度温度特征

超顺磁性微滴在超疏水性表面可逆、无损失运输

在磁场作用下，正自旋和负自旋的传导电子具有不同的能量，这就导致在费米面附近有少量的传导电子自旋倒向，从而产生微弱的顺磁性效应。金属中自由电子会感生顺磁性，称之为泡利顺磁性。用简单的能带模型可计算出顺磁磁化率 k=C/(T－TP)=3nμB2/EF，EF为费米能级。因此，一般情况下泡利顺磁性与温度无关，在温度很高情况，它随T2增大而降低。

一些过渡金属和稀土金属及其合金中，其巡游的磁性电子之间虽有一定的交换作用，但作用强度还未能达到斯托纳增强条件，即UN(EF)≯1，式中U为电子关联作用能，N(EF)为费米面态密度，因而不具备自发磁化，但顺磁性较大一些，称为交换增强顺磁性。

典型实例
典型的顺磁性气体是O2，常见的顺磁体有过渡金属的盐类、稀土金属的盐类及氧化物。温度高于磁转变温度时，序磁性（见铁磁性）物质也呈现为顺磁性，如室温情况下除钆（Gd）以外的稀土金属。

金属如锂（Li）、钠（Na）等，这些顺磁性金属的磁化率与温度无关，可以用量子力学解释。

铁磁流体表现出顺磁性

技术应用
顺磁性有其重要的应用，从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以研究其结构，特别是电子组态结构；利用顺磁物质的绝热去磁效应可以获得约1—10－3K的超低温度；顺磁微波量子放大器是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器，促进了激光器的研究和发明，在生命科学中，如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性，同氧结合后转变为抗磁性，这两种弱磁性的相互转变反映了生物体内的氧化还原过程，其磁性研究成为生命现象的一种方法；目前医学上从核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以显示生物体内顺磁物质（如血红蛋白和自由基等）的分布和变化，此外某些测氧仪利用了顺磁性的原理。

顺磁共振波谱仪

物质磁性的分类
1、抗磁性
当磁化强度M为负时,固体表现为抗磁性.Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质.在外磁场中,这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M.抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零,即不存在永久磁矩.当抗磁性物质放入外磁场中,外磁场使电子轨道改变,感生一个与外磁场方向相反的磁矩,表现为抗磁性.所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化.抗磁性物质的抗磁性一般很微弱,磁化率H一般约为-10-5,为负值.

2、顺磁性
顺磁性物质的主要特征是,不论外加磁场是否存在,原子内部存在永久磁矩.但在无外加磁场时,由于顺磁物质的原子做无规则的热振动,宏观看来,没有磁性；在外加磁场作用下,每个原子磁矩比较规则地取向,物质显示极弱的磁性.磁化强度与外磁场方向一致,

顺磁性物质的磁化率一般也很小,室温下H约为10-5.一般含有奇数个电子的原子或分子,电子未填满壳层的原子或离子,如
过渡元素、稀土元素、钢系元素,还有铝铂等金属,都属于顺磁物质.

3、铁磁性
对诸如Fe、Co、Ni等物质,在室温下磁化率可达10-3数量级,称这类物质的磁性为铁磁性.

铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保留极强的磁性.其磁化率为正值,但当外场增大时,由于磁化强度迅速达到饱和,其H变小.

铁磁性物质具有很强的磁性,主要起因于它们具有很强的内部交换场.铁磁物质的交换能为正值,而且较大,使得相邻原子的磁矩平行取向（相应于稳定状态）,在物质内部形成许多小区域——磁畴.每个磁畴大约有1015个原子.这些原子的磁矩沿同一方向排列,假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场,“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态.这种自生的磁化强度叫自发磁化强度.由于它的存在,铁磁物质能在弱磁场下强列地磁化.因此自发磁化是铁磁物质的基本特征,也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在.

铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来,超过这一温度,由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向,因而自发磁化强度变为0,铁磁性消失.这一温度称为居里点 .在居里点以上,材料表现为强顺磁性,其磁化率与温度的关系服从居里——外斯定律,

4、反铁磁性
反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列.在同一子晶格中有自发磁化强度,电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中,电子磁矩反向排列.两个子晶格中自发磁化强度大小相同,方向相反,整个晶体 .反铁磁性物质大都是非金属化合物,如MnO.

不论在什么温度下,都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象,因此其宏观特性是顺磁性的,M与H处于同一方向,磁化率为正值.温度很高时,极小；温度降低,逐渐增大.在一定温度时,达最大值 .称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点.对尼尔点存在在极低温度下,由于相邻原子的自旋完全反向,其磁矩几乎完全抵消,故磁化率几乎接近于0.当温度上升时,使自旋反向的作用减弱,增加.当温度升至尼尔点以上时,热骚动的影响较大,此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为.

维基如是说

说了半天，大家可能更迷糊了。只好套用知乎上的说法：顺磁性相当于单身狗，抗磁性相当于男女成婚，铁磁性相当于同性婚姻。这种说法是否准确，请高人评论一下。

DMCA / ABUSE REPORT | TOP Posted: 05-16 16:24 樓主引用 | 發表評論

李传洋

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TOP Posted: 05-16 16:28 #1樓引用 | 點評

quaserok

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1024

TOP Posted: 05-16 16:33 #2樓引用 | 點評