1.3宏观物质的磁性 原子、离子的磁矩（顺、抗磁) 孤 安 体磁性 晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献》 配位 相邻原子、电子间的相互作用（磁有序） 天联 研究凝聚态物质各种磁性表现的起因是磁性物理的主要 任务，其中强磁性物质在技术领域有着突出作用，所以影响 强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的
研究凝聚态物质各种磁性表现的起因是磁性物理的主要 任务，其中强磁性物质在技术领域有着突出作用，所以影响 强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的。 1.3 宏观物质的磁性 固 体 磁 性 原子、离子的磁矩（顺、抗磁） 孤 立 晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献） 配位 相邻原子、电子间的相互作用（磁有序） 关联
一，物质磁性的分类 为了研究物质磁性的起因，一般按其在磁场中的表现 进行分类，主要依据磁化率的正负、大小及其温度关系， 分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。 随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪 70年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的 磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它 们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 上世纪70年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴 起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化 之中
为了研究物质磁性的起因，一般按其在磁场中的表现 进行分类， 主要依据磁化率的正负、大小及其温度关系， 分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。 随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固体里，共发现了五种主要类型的 磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它 们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。 上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴 起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化 之中。 一. 物质磁性的分类
1.抗磁性(Diamagnetism) 这是19世纪后半叶就己经发现并研究的一类弱磁性。它的 最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，X<0,|X<<1 其磁化强度和磁场强度反向，在不均匀的磁场中被推向磁 场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是 常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。 深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电 磁作用而产生的，因而所有物质都具有一定的抗磁性，但只是 在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物 质中，才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁 性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电 子也具有一定的抗磁性，并造成反常
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的 最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，<0， <<1 其磁化强度和磁场强度反向，在不均匀的磁场中被推向磁 场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是 常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。 深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电 磁作用而产生的，因而所有物质都具有一定的抗磁性，但只是 在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物 质中， 才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁 性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电 子也具有一定的抗磁性，并造成反常。 1. 抗磁性（Diamagnetism)
自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的 元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括： 稀有气体：He,Ne,Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr 不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水； 反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。 广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，X=-1，它的机理 完全不同，不在我们讨论之内
自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的 元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。 包括： 稀有气体：He，Ne，Ar，Kr，Xe 多数非金属和少数金属：Si，Ge，S，P，Cu，Ag，Au 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl，KBr 不含过渡族元素的共价键化合物：H2，CO2，CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织： 水； 反常抗磁性物质：Bi，Ga，Zn，Pb，磁化率与磁场、温度有关。 广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，=-1 ，它的机理 完全不同，不在我们讨论之内
见姜书p25CGS单位制克分子磁化率 体积磁化率 表13惰性气体原子的x抗值(10 密度 原子量 ×10-6 元素 Z 电子组态 X抗（实验） X He 2 1s2 -1.9 -2.02 0.2054 0.097 Ne 10 2p6 -7.2 -6.96 1.5120.18 0.43 Ar 18 3p6. -19.4 -19.23 1.77 39.95 0.85 -28.02 Kr 36 4p6 -28.0 -29.2 3.09 83.80 1.03 -42.02 Xe 54 5p6 -43 -44.1 3.78131.3 1.24 注：此表引自S.V.Vonsovskii,Magnetism(1974)。 Kittel书数据(2002) 它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。 在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3.mol1。 统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。 换成SI单位制下应乘以4π，量级在105
-1.9 -7.2 -19.4 -28.0 -43 见姜书p25 CGS单位制克分子磁化率 它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。 在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10 -6 cm3 ·mol -1 。 统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6 。 换成 SI 单位制下应乘以4π，量级在10 -5 。 Kittel 书数据（2002） ρ n 0.205 4 0.097 1.51 20.18 0.43 1.77 39.95 0.85 3.09 83.80 1.03 3.78 131.3 1.24 密度 原子量 体积磁化率 ×10-6
些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率(CGS单位)： 表四 抗磁性金属在20℃时的原子磁化率 金 属 x4(106) 金 属 x4(10-6) -5.4 鍘 -12.36 -49.05 銀金 -21.56 鉈[2] -29.59 鍺 -8.9 -9.02 鉛 -24.86 -10.26 -5.5 -19.6 -107 -33.8 -265 硼 -6.7 -26.5 錄 -16.8 -40.8 见冯索夫斯基《现代磁学》(1953)p74
见冯索夫斯基《现代磁学》(1953) p74 一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）： 6 (10 ) 6 (10 )
2.顺磁性 (Paramagnetism) 这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0<X<<1。 顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里。 外斯(Curie-Waiss)定律。 C C称作居里常数， T T-Tp 或： T+Tp T,称作居里顺磁温度 服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性，这个温度之下，表现为其它性质。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子 (或离子)，具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁 性
这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。 它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小，0<<<1。 顺磁性物质的磁化率是温度的函数，服从居里定律或居里- 外斯（Curie-Waiss)定律。 C T = p p C C T T T T 或： C 称作居里常数， Tp 称作居里顺磁温度 服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性，这个温度之下，表现为其它性质。 典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子 （或离子），具有一定的磁矩，是无规分布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁 性。 2. 顺磁性（Paramagnetism）
顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W, La,Nd,Pt,Pa等 含有以上元素的化合物：MnS04,FeCl3,FeS04,Gd20? 等 碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca, Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl,NO等，有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2.有机物中的双自由基等
顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质： 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn，Cr，W， La，Nd，Pt，Pa等 含有以上元素的化合物：MnSO4，FeCl3，FeSO4，Gd2O3 等 碱金属和碱土金属：Li，Na，K，Ru，Cs，Mg，Ca， Sr，Ba 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl，NO等，有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物： O2，有机物中的双自由基等
3.铁磁性（Ferromagnetism) 这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是： 1.X>>0,磁化率数值很大，x≈10°~10 2.磁化率数值是温度和磁场的函数； 3.存在磁性转变的特征温度一居里温度T,温度低于居里 温度时呈铁磁性；高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化 率温度关系服从居里-外斯定律。 C x= 4.在居里温度附近出现比热等性质的反常。 T-Tp 5.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。 构成这类物质的原子也有磁矩，但宏观表现却完全不同 于顺磁性，解释铁磁性的成因己成为对人类智力的最大挑战 之一，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论， 但仍有很多问题有待后人去解决
这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是： 1. >>0，磁化率数值很大， 2. 磁化率数值是温度和磁场的函数； 3. 存在磁性转变的特征温度——居里温度TC，温度低于居里 温度时呈铁磁性；高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化 率温度关系服从居里-外斯定律。 4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。 5. 磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。 构成这类物质的原子也有磁矩，但宏观表现却完全不同 于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战 之一，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论， 但仍有很多问题有待后人去解决。 p C T T 0 5 10 10 3. 铁磁性（Ferromagnetism)
表现为铁磁性的元素物质只有以下几种： 些过渡族元素和稀土元素金属： 物质 Fe Co Ni Gd Tb Dy Ho Er Tm fecPr fccNd Te(K) 1043 1403 631 293.4 219.5 89 20 20 32 8.7 5.7 室温以上，只有4种元素是铁磁性的。 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它 们构成了铁磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni(Permalloy坡莫合金)，Fe-Si,Fe-Co,AINiCo, CrO2,EuO,GdCl3
表现为铁磁性的元素物质只有以下几种： 一些过渡族元素和稀土元素金属： 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它 们构成了铁磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni (Permalloy坡莫合金), Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, CrO2 , EuO, GdCl3 , 室温以上，只有4种元素是铁磁性的