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为什么只有少数金属才具备磁性?
发布时间:2019-08-20
 

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物质磁性的起源

如果磁是电磁以太涡旋,一个磁铁,没看到任何电磁以太的涡旋,为什么会有磁性?我们的回答是:物质的磁性起源于原子中电子的运动,电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋。

早在1820年,丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应,第一次揭示了磁与电存在着联系,从而把电学和磁学联系起来。

为了解释永磁和磁化现象,安培提出了分子电流假说。安培认为,任何物质的分子中都存在着环形电流,称为分子电流,而分子电流相当一个基元磁体。当物质在宏观上不存在磁性时,这些分子电流做的取向是无规则的,它们对外界所产生的磁效应互相抵消,故使整个物体不显磁性。在外磁场作用下,等效于基元磁体的各个分子 电流将倾向于沿外磁场方向取向,而使物体显示磁性。

为什么只有少数金属才具备磁性?

磁现象和电现象有本质的联系。物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念,是把电子看成一个带电的小球,他们认为,与地球绕太阳的运动相似,电子一方面绕原子核运转,相应有轨道角动量和轨道磁矩,另一方面又绕本身轴线自转,具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。施特恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。(现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。)

电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性,人们常用磁矩来描述磁性。因此电子具有磁矩,电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。在晶体中,电子的轨道磁矩受晶格的作用,其方向是变化的,不能形成一个联合磁矩,对外没有磁性作用。因此,物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起,而是主要由自旋磁矩引起。每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子 。 是原子磁矩的单位。因为原子核比电子重2000倍左右,其运动速度仅为电子速度的几千分之一,故原子核的磁矩仅为电子的千分之几,可以忽略不计。

孤立原子的磁矩决定于原子的结构。原子中如果有未被填满的电子壳层,其电子的自旋磁矩未被抵消,原子就具有“永久磁矩”。例如,铁原子的原子序数为26,共有26个电子,在5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子(自旋反平行)外,其余4个轨道均只有一个电子,且这些电子的自旋方向平行,由此总的电子自旋磁 矩为4 。


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产生铁磁性条件


铁磁现象虽然发现很早,然而这些现象的本质原因和规律,还是在本世纪初才开始认识的。1907 年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说,其主要内容有:铁磁物质内部存在很强的“分子场”,在“分子场”的作用下,原子磁矩趋于同向平行排列,即自发磁化至饱和,称为自发磁化;铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴),由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同,其磁性彼此 相互抵消,所以大块铁磁体对外不显示磁性。

为什么只有少数金属才具备磁性?

外斯的假说取得了很大成功,实验证明了它的正确性,并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。在分子场假说的基础上,发展了自发磁化 (spontaneous magnetization)理论,解释了铁磁性的本质;在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论,解释了铁磁体在磁场中的行为。

铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程(又称感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来,而不是由外界向物质提供磁性的过程。实验证明,铁磁质自发磁化的根源是原子(正离子)磁矩,而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样,在原子的电子壳层中存在没有被电子填满 的状态是产生铁磁性的必要条件。

例如铁的3d状态有四个空位,钴的3d状态有三个空位,镍的3d 态有二个空位。如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来,将会得到较大磁矩,理论上铁有4μB,钴有3μB,镍有2μB。

可是对另一些过渡族元素,如锰在3d态上有五个空位,若同向排列,则它们自旋磁矩的应是 5μB,但它并不是铁磁性元素。因此,在原子中存在没有被电子填满的状态(d或f态)是产生铁磁性的必要条件,但不是充分条件。故产生铁磁性不仅仅在于元 素的原子磁矩是否高,而且还要考虑形成晶体时,原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利。这是形成铁磁性的第二个条件。

为什么只有少数金属才具备磁性?

根据键合理论可知,原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠,电子要相互交换。对于过渡族金属,原子的3d的状态与s态能量相差不大,因此它 们的电子云也将重叠,引起s、d状态电子的再分配。这种交换便产生一种交换能Eex(与交换积分有关),此交换能有可能使相邻原子内d层末抵消的自旋磁矩 同向排列起来。

量子力学计算表明,当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时(A>0),相邻原子磁矩将同向平行排列,从而实现自发磁化。这就是铁磁性 产生的原因。这种相邻原子的电子交换效应,其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列,作用的效果好像强磁场一样。外斯分子场就是这样得名的。

理论计算证明,交换积分A不仅与电子运动状态的波函数有关,而且强烈地依赖子原子核之间的距离Rab (点阵常数),如图5-13所示。由图可见,只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r之比大于3,交换积分才有可 能为正。铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件。铬、锰的A是负值,不是铁磁性金属,但通过合金化作用,改变其点阵常数,使得Rab /r之比大于3,便可得到铁磁性合金。

综上所述,铁磁性产生的条件:

①原子内部要有末填满的电子壳层;

②及Rab/r之比大于3使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩不为零;后者指的是要有一定的晶体结构。

根据自发磁化的过程和理论,可以解释许多铁磁特性。例如温度对铁磁性的影响。当温度升高时,原子间距加大,降低了交换作用,同时热运动不断破坏 原子磁矩的规则取向,故自发磁化强度Ms下降。直到温度高于居里点,以致完全破坏了原子磁矩的规则取向,自发磁矩就不存在了,材料由铁磁性变为顺磁性。同样,可以解释磁晶各向异性、磁致伸缩等。