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科普连载——磁性起源

2018-4-21 20:14| 发布者: dymodel| 查看: 341| 评论: 0|原作者: dymodel

摘要: 科普连载——磁性起源 奥斯特发现电流磁效应后,法国物理学家安培对电流间的相互作用进行了大量的研究,并在此基础上提出了物质磁性起源的分子电流假说。19世纪末,法国皮埃尔.居里做出了开创性工作,他不仅发现了 ...
科普连载——磁性起源
奥斯特发现电流磁效应后,法国物理学家安培对电流间的相互作用进行了大量的研究,并在此基础上提出了物质磁性起源的分子电流假说。19世纪末,法国皮埃尔.居里做出了开创性工作,他不仅发现了铁磁性存在的临界温度(后被称为居里温度),确立了在临界温度以上顺磁磁化率与温度的关系,还在大量实验基础上指出了抗磁性和顺磁性的存在,并提出了居里抗磁和顺磁定律。之后,朗之万将经典统计理论应用到固体原子磁矩的系统,导出了居里定律。外斯在朗之万理论基础上提出了分子场假说和磁畴假说,这两个假说成为分子场理论的基础。然而问题是,朗之万理论中认为的原子存在的固有磁矩是无本之木,范列温证明,从经典力学出发的统计物理无法导出原子存在平均磁矩的结论。直到量子力学建立之后,人们才知道,原子固有磁矩的存在是一种量子效应。1928年,海森伯根据氢分子的结合能与电子自旋取向有关的量子力学计算结果提出了铁磁体的自发磁化来源于量子力学交换作用的海森伯模型。几乎同时,布洛赫提出了描述集体电子的能带模型……历史叙述就到此为止吧,以后的磁学发展就不很清楚了。 物质的磁性大体分为三类(实际上有7类),顺磁质、抗磁质、铁磁质。顺磁和抗磁的磁化作用很弱,其应用也较少,故我们只介绍铁磁质。最常见的铁磁质自然是铁了,其次还有钴、镍、以及它们的合金、锰铝合金、稀土元素的一些化合物等。它们有非常高的饱和磁化强度,故在外磁场下可以表现出很强的磁性。所有的铁磁性物质都存在使铁磁性消失的一个温度,称为居里温度。铁的居里温度为770度,即将铁加热到770度以上,它就会转化为普通的顺磁性物质,这就是顺磁-铁磁相变。顺磁-铁磁相变与气液相变有很多相似之处。在居里温度以下,铁磁物质存在磁滞现象,其磁化强度与磁化过程有关,在交流磁场中的磁化曲线是一条闭合的曲线,称为磁滞回线。此外,铁磁物质还存在磁致伸缩现象,即磁化过程伴随着磁化状态的变化会产生长度和体积的变化,可以用这一效应产生超声波。 外斯分子场假设认为,铁磁物质内部存在强大的“分子场”,因此即使无外加磁场,其内部各区域也已经自发磁化了。外磁场的作用仅仅是将各区域的磁矩方向调整到外磁场方向上。因此,在很弱的外磁场下,铁磁质即可达到饱和磁化状态。磁畴假说认为,铁磁体内部自发磁化分为若干区域(磁畴),每个区域都自发磁化致饱和,未加磁场时,各区域磁距方向杂乱无章,故磁性相互抵消,宏观上不显磁性。在这两个假说的基础上建立的理论称为分子场理论。分子场理论在解释铁磁性物质的磁性方面相当成功,它说明了铁磁物质的自发磁化,给出的磁化强度与温度的关系与实验也基本相符,并导出了居里温度和居里-外斯定律。 分子场理论的成功促使人们去寻找分子场的起源。但是这一问题在经典力学的框架内根本无法解决。分子场不可能由原子磁距产生,因为原子磁矩产生的磁场比分子场小了3个量级。β粒子通过铁磁体的偏转实验也证明,铁磁体内部并不存在磁性质的分子场。在量子力学建立之前,没有人能对分子场的起源做出过合理的解释。1928年,海森伯应用量子力学中电子的交换效应正确的解释了铁磁体内磁有序现象的产生,证明了分子场实际上就是电子之间交换作用的一种平均场近似。这一模型的建立,为铁磁性量子理论的发展奠定了基础。 交换效应来自于波函数的重叠区域。根据全同原理,此区域内的电子是全同粒子,不可区分。如果我们仍然按照经典的粒子处理方式,对它们进行标记区分,必然会出现一项附加的修正项,这一项被称为交换积分,相应的能量叫交换能。这一交换能我们曾在本连载中讨论共价键时提到过。氢分子中的两个电子如果自旋是相反的,交换能为负,故反自旋的两个氢原子可以结合成更稳定的氢分子。又因为这两个电子反自旋,磁性相互抵消,故氢气是一种典型的抗磁质。在铁磁理论中,我们遇到的情况刚好相反。我们需要电子自旋平行,这样磁场就不会互相抵消而是互相加强了。也就是说自旋平行时的交换能小于自旋反平行时的交换能是物质存在铁磁性的必要条件。通过计算交换积分,满足此条件的元素恰好就是铁、钴、镍等传统的铁磁质。 计算机中作为信息载体的电流尽管沿用已久,也有很多非常优越的性质。但是面对高速发展的科技,电子这个可爱的精灵似乎也有点不堪重负,想分担一点责任给别人了……


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