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固体的磁性和超导电性
固体的磁性和超导电性
6-1 固体磁性的基本原理
6-2 固体磁性的种类
6-3 核磁共振和自旋电子学
6-4 超导电现象及理论
6-5 超导电材料
掌握
了解
6-1 磁化率
真空中磁感应强度与磁场强度有如下关系
其中真空磁导率 （SI）
放置在磁场中的固体物质被磁化，感应出许多磁偶极矩；单位体积中磁偶极矩为磁化强度，与之比为磁化率
描述了固体材料被磁场磁化的难易程度
固体中总的磁感应强度满足
称为固体介质的（相对）磁导率
6-1 磁化作用与电极化作用的比较
磁化性质 电极化性质
真空
固体极化
总强度
物理量 磁场强度 电场强度
磁化强度 电极化强度
磁感应强度 电位移矢量
真空磁导率 真空介电常数
相对磁导率 相对介电常数
6-1 原子磁矩的产生
根据电磁学，平面环路电流会产生磁矩
符合右手定则，其中为闭合环路面积
原子中所有电子按照一定轨道绕核运动，
具有确定的轨道角动量
进而形成环路电流，产生轨道磁矩（其中为旋磁比）
可见轨道磁矩与轨道角动量成正比，方向相反
电子还有自旋运动，产生自旋角动量，存在自旋磁矩
自旋旋磁比是轨道旋磁比的两倍
6-1 自旋–轨道耦合
电子的轨道角动量产生的轨道磁矩与自旋角动量产生的自旋磁矩发生相互作用，即自旋–轨道耦合
自旋–轨道耦合有两种形式
耦合：假定电子间的库伦作用大于自旋–轨道相互作用，则单个电子先耦合成总的轨道角动量和自旋角动量，再耦合成总角动量，即
原子磁矩可以写成的形式，为朗德因子
不太重的元素都属于耦合
耦合：单个原子先耦合成总角动量，各电子之间再相互耦合
6-1 量子化的原子磁矩
从量子力学的观点来看，磁矩是量子化的
根据量子力学相关结论，角动量算符的本征值具有相同的形式， 、 和 的本征值分别为
、 和
其中、和分别为、和的量子数
这样，原子磁矩的绝对值可以写成
其中为有效磁子数，为玻尔磁子
6-1 洪特定则
由原子物理学可知：
满壳层对原子总的轨道角动量、自旋角动量及总角动量都没有贡献
只有未满壳层的电子对原子总的、和有贡献
所以只需考察未满壳层电子对原子磁矩的影响
1、 未满壳层的电子自旋排列：
泡利原理：一组量子数 , , , 表征的量子态只能有一个电子占据
库仑相互作用： , , 表征的一个轨道上若有两个自旋态相反的电子，库仑排斥使系统能量提高
综上，一个轨道倾向只有一个电子占据，而原子内的自旋–自旋相互作用使自旋平行排列，从而总自旋取最大值。
6-1 洪特定则
2、 每个电子的轨道矢量的排列：
电子倾向以同样的方向绕核旋转，以避免靠近而增加库仑排斥能，从而使总的轨道角动量取最大值。
3、 采用和间耦合计算原子总角动量：
电子数不到半满时
电子数超过半满时
以Cr3+为例，3d壳层中有3个电子，未达半满
自旋角量子数分别可取±1/2，均取相同方向最大值1/2，总和为3/2；
轨道角量子数可取0、±1、±2，尽量取最大值，依次取2、1、0，总和为3；
总的角动量量子数为
6-1 过渡金属离子的有效磁子数
过渡金属离子的两个4s电子被电离，未满的3d壳层暴露在最外面，直接受到其他原子的影响，其轨道运动常被破坏，导致轨道角动量发生“猝灭”，只剩下自旋角动量。
6-1 三价稀土元素离子的有效磁子数
含未满4f壳层的三价稀土元素离子中，4f壳层外还有5s、5p满壳层，属于内壳层，较少受到其它原子的影响，所以较好地符合洪特定则。
6-2 顺磁性
顺磁体中，原子中各电子的轨道、自旋运动产生的磁效应不能相互抵消，存在固有磁矩，比附加磁矩大很多。
无外场时，热运动使得各个固有磁矩的方向和分布杂乱无章，整体不表现出磁性；加外磁场后，这些固有磁矩的方向逐渐趋向与外磁场方向一致，表现出顺磁性。
顺磁体
外磁场越强，温度越低，固有磁矩沿外磁场趋向的概率越大，介质磁化程度越高。
加磁场前
加磁场时
撤去磁场

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