固体磁性第3章

固体材料的磁性研究近年来，固体材料的磁性研究在科学界引起了极大的关注。

磁性材料不仅在磁存储、磁传感器和电磁设备等领域有着广泛的应用，而且对于深入了解物质的性质和相互作用也起着关键的作用。

本文将就固体材料的磁性研究进行探讨。

首先，固体材料的磁性是由其中所含的磁性原子或离子所决定的。

磁性原子或离子具有自旋磁矩，其自旋在外加磁场的作用下产生磁矩的定向，从而呈现出磁性行为。

根据材料的磁性表现，可将固体材料分为顺磁性、抗磁性和铁磁性。

顺磁性材料中的磁矩与外加磁场平行或反平行，导致磁性的增强或削减。

顺磁性物质在外加磁场的作用下会产生磁化强度增加的现象，这种材料常见的例子有铁、铝和锶等元素。

抗磁性材料中的磁矩与外加磁场方向始终垂直，使材料在外加磁场作用下呈现出磁矩的减小。

抗磁性材料的一个例子是铜。

最重要的是铁磁性材料，铁磁性材料中的磁矩与外加磁场平行或反平行，可以自发地在无外加磁场时形成磁畴结构。

铁磁性材料的晶体结构中，磁矩呈现出有序排列的状态，即形成各向同性的磁畴。

在铁磁性材料中，磁畴之间存在磁畴壁，通过改变外加磁场的方向，可以通过壁移动或磁畴翻转的方式实现磁化翻转。

铁磁性材料常见的例子有铁、镍和钴等元素。

在固体材料的磁性研究中，单晶材料和多晶材料的磁性行为往往有所差异。

单晶材料中，由于晶体的各向异性，磁性行为往往更加复杂。

而多晶材料中，不同晶粒间的晶界会对磁性行为产生影响。

此外，对于一些非晶态或纳米晶材料，其磁性行为也具有独特的特点。

除了材料本身的特性外，外部条件对于固体材料的磁性研究也具有重要作用。

温度是一个重要的因素，温度的变化会导致材料的磁性行为发生改变。

低温下，材料往往呈现出强磁性，而高温下，材料可能失去磁性或呈现出顺磁性。

此外，压力和磁场等外部条件也会对材料的磁性行为产生明显的影响。

通过改变外部条件，可以实现对固体材料磁性的控制和调控。

固体材料的磁性研究不仅涉及到实验和观测，还需要理论模型的构建和计算模拟的开展。

固体物理(黄昆)第一章总结.doc固体物理（黄昆）第一章总结固体物理学是一门研究固体物质微观结构和宏观性质的学科。

黄昆教授的《固体物理》一书为我们提供了深入理解固体物理的基础。

本总结旨在概述第一章的核心内容，包括固体的分类、晶体结构、晶格振动和固体的电子理论。

一、固体的分类固体可以根据其结构特征分为晶体和非晶体两大类。

晶体具有规则的几何外形和有序的内部结构，而非晶体则没有长程有序性。

晶体又可以根据其内部原子排列的周期性分为单晶体和多晶体。

二、晶体结构晶体结构是固体物理学的基础。

黄昆教授详细讨论了晶格、晶胞、晶向和晶面等概念。

晶格是描述晶体内部原子排列的数学模型，而晶胞是晶格的最小重复单元。

晶向和晶面则分别描述了晶体中原子排列的方向和平面。

三、晶格振动晶格振动是固体物理中的一个重要概念，它涉及到晶体中原子的振动行为。

黄昆教授介绍了晶格振动的量子化描述，包括声子的概念。

声子是晶格振动的量子，它们与晶体的热传导和电导等性质密切相关。

四、固体的电子理论固体的电子理论是固体物理学的核心内容之一。

黄昆教授从自由电子气模型出发，介绍了固体中电子的行为和性质。

自由电子气模型假设电子在固体中自由移动，不受原子核的束缚。

这一模型可以解释金属的导电性和热传导性。

五、能带理论能带理论是固体电子理论的一个重要组成部分。

黄昆教授详细讨论了能带的形成、能隙的概念以及电子在能带中的分布。

能带理论可以解释不同固体材料的导电性差异，是现代半导体技术和电子器件设计的基础。

六、固体的磁性固体的磁性是固体物理中的另一个重要主题。

黄昆教授讨论了磁性的来源，包括原子磁矩和电子自旋。

磁性固体可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性等类型，它们的磁性行为与电子结构密切相关。

七、固体的光学性质固体的光学性质涉及到固体对光的吸收、反射和透射等行为。

黄昆教授介绍了固体的光学性质与电子结构之间的关系，包括光的吸收和发射过程。

八、固体的热性质固体的热性质包括热容、热传导和热膨胀等。

固体物理课程教学大纲一、引言固体物理是物理学的重要分支之一，研究物质的结构、性质和相互作用。

本课程的教学旨在帮助学生建立对固体物理的基础理论和实践技能的深入理解。

通过学习本课程，学生将能够掌握固体物理的核心概念、实验技术和解决实际问题的能力。

二、课程目标1. 掌握固体物理的基础知识和理论框架；2. 熟悉固体的晶体结构和缺陷状况；3. 理解固体的电学、磁学和光学性质；4. 学习固体材料的力学行为和热传导特性；5. 培养工程实践中解决固体物理问题的能力。

三、教学内容与安排1. 第一章：晶体结构- 1.1 原子与晶体结构基本概念- 1.2 晶体的晶格结构- 1.3 晶体缺陷与点阵缺陷- 1.4 晶体的形貌与表面结构2. 第二章：固体的电学性质- 2.1 电导现象与欧姆定律- 2.2 半导体与导体- 2.3 极化与介电材料- 2.4 超导电性3. 第三章：固体的磁学性质- 3.1 磁介质与磁性材料- 3.2 磁场与磁化强度- 3.3 磁性材料的磁性行为- 3.4 磁性材料的应用与技术4. 第四章：固体的光学性质- 4.1 光的传播与折射- 4.2 光与固体材料的相互作用 - 4.3 固体的吸收与发射- 4.4 材料的光学性质与应用5. 第五章：固体的力学行为- 5.1 弹性与塑性行为- 5.2 多晶体的力学行为- 5.3 固体的蠕变现象- 5.4 特殊力学性质与应用6. 第六章：固体的热传导特性- 6.1 热传导基本原理- 6.2 热电材料与热电效应- 6.3 热导率的测量与表征- 6.4 热传导的现象与应用四、教学方法与手段1. 授课方式：采用讲授与互动相结合的方式进行课堂教学；2. 实验教学：通过实验教学，让学生更好地理解课程的概念与原理；3. 论文阅读：引导学生阅读相关领域的研究论文，拓宽知识面；4. 课程设计项目：组织学生进行课程设计项目，提高实际问题解决能力；5. 网络资源利用：推荐学生利用网络资源深入学习与研究。

固体的磁性 基础知识1. 磁性的一种分类方式根据磁化率χ的大小符号以及与温度、磁场的关系，可以把物质的磁性分成五类：（1）抗磁性，磁化强度与磁场方向相反，χ < 0，其值约为10-7~10-6；（2）顺磁性，磁化强度与磁场方向相同，χ > 0，其值约为10-6~10-5；（3）反铁磁性，χ > 0，其值约为10-4；（4）亚铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~104；（5）铁磁性，χ > 0，其值约为10-1~106抗磁性的χ几乎与温度无关，其余均与温度有关；亚铁磁性和铁磁性为强磁性，其余为弱磁性。

2. 原子磁矩构成固体物质的原子中，电子磁矩比原子核的磁矩大三个数量级，所以电子磁矩对固体的磁性起主要作用。

2.1 独立原子的磁矩原子中电子的磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩两部分组成。

电子的轨道磁矩为L 是电子的轨道角动量，µL 的绝对值为其中l 是电子轨道角动量量子数，µB 是波尔磁子，其大小为电子的自旋磁矩为 = -2L e mμL =(1)L Bl l 2B e m S e mμSS 是电子的自旋角动量，µS 的绝对值及其在z 方向的投影分别为如果原子中只有一个电子，则原子磁矩为J 是电子的总角动量。

如果原子中有多个电子，原子的总角动量有LS 耦合和JJ 耦合两种耦合方式，分别适用于原子序数比较小和原子序数比较大（Z > 80）的耦合方式。

常见的3d 族和4f 族元素，电子之间的轨道-轨道与自旋-自旋偶合较强，适合使用LS 耦合。

2.2 晶场效应原子结合成晶体后，原子的电子状态发生变化，价电子参与各种类型的键合，而处在格点位置的离子也不同于孤立离子，其电子状态因受周围离子所产生的静电场的作用而发生变化，这种静电场称为晶体电场，它所造成的影响称为晶场效应。

晶场效应有两种：一是离子中简并的电子态发生劈裂，二是电子的轨道角动量的贡献部分或者全部被冻结。

固体物理第三章晶格振动与晶体热学性质第三章晶格振动与晶体的热学性质晶格振动是描述原子在平衡位置附近的振动，由于晶体内原子间存在着相互作用力，各个原子的振动也不是孤立的，而是相互联系的，因此在晶体内形成各种模式的波。

只有当振动微弱时，原子间非谐的相互作用可以忽略，即在简谐近似下，这些模式才是独立的。

由于晶格的周期性条件，模式所取的能量值不是连续的而是分立的。

对于这些独立而又分立的振动模式，可以用一系列独立的简谐振子来描述。

和光子的情形相似，这些谐振子的能量量子称为声子。

这样晶格振动的总体就可以看成声子系综。

若原子间的非谐相互作用可以看作微扰项，则声子间发生能量交换，并且在相互作用过程中，某些频率的声子产生，某些频率的声子湮灭。

当晶格振动破坏了晶格的周期性，使电子在晶格中的运动受到散射而电阻增加，可以看作电子受到声子的碰撞，晶体中的光学性质也与晶格振动有密切关系，在很大程度上可以看作光子与声子的相互作用乃至强烈耦合。

晶格振动最早是用于研究晶体的热学性质，其对晶体的电学性质、光学性质、超导电性、磁性、结构相变等一系列物理问题都有相当重要的作用，是研究固体宏观性质和微观过程的重要基础。

ωη§3-1 简谐近似和简正坐标由原子受力和原子间距之间的关系可以看出，若离开平衡位置的距离在一定限度，原子受力和该距离成正比。

这时该振动可以看成谐振动.用n μϖ表示原子偏离平衡位置（格点）位移矢量，对于三维空间，描述N 个原子的位移矢量需要3N 个分量，表为)3,,2,1(N i i Λ=μ将体系的势函数在平衡位置附近作泰勒展开:高阶项+∑⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂+∑∂∂+===j i N j i j i i N i i V V V V μμμμμμ031,2031021)(第一项为平衡位置的势能，可取为零，第二项为平衡位置的力，等于零。

若忽略高阶项，因为势能仅和位移的平方成正比，即为简谐近似。

23121i N i i m T μ&∑==引入合适的正交变换，将动能和势能用所谓的简正坐标表示成仅含平方∑==N j j ij i i Q a m 31μ项而没有交叉项，即：由分析力学，基本形式的拉格朗日方程为：)32,1(,N i q Q T Q T dt d i i i Λ&==∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂其中)32,1(,1N i q f q i j N j j i Λϖϖ=∂∂⋅∑==μ朗日方程：)32,1(,0N i Q L Q L dt d i i Λ&==∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂则正则方程为：)3,2,1(,02N i Q Q i i i Λ&&==+ω其解为：)sin(δω+=t A Q i i 当考察某一个j Q 时，则：)sin(δωμ+=t A m a j i iji 晶体参与的振动，且它们的振动频率相同。

第三章氧族元素VIA (16)83209Bi+1n83210Bi84210Po+-10e82206Pb+ O (Oxygen) S (Sulfur)Se (Selenium) Te (Tellurium) Po(Polonium)本章要点:1.掌握氧的成键特征；2.掌握氧、臭氧、过氧化氢的结构、性质和用途；3.掌握硫的成键特征；4.掌握硫的各种氧化态的重要化合物的结构、性质、制备和用途, 以及相互转化关系。

§3-1 氧族元素在自然界的存在形式O: 单质（O 2 、O 3）和化合态S: 单质和化合态Se, Te:分布于金属硫化物矿中自然硫黄碲矿（墨西哥）自然碲§3-2 氧族元素的通性一、氧族元素的物理性质•元素O S Se Te •电子构型：[2e][8e] [18e] [18e]2s22p4 3s23p4 4s24p4 5s25p4•常见氧化态-2,-1,0 -2,0,+2 -2,0,+2-2,0,+2+4,+6 +4,+6+4,+6•电负性 3.44 2.58 2.55 2.10•共价半径/pm 66 104 117 137•M2-离子半径/pm 140 184 198 221§3-3 氧及其化合物空气的组成CO 2O 2ArN 2沸点/K 194.7 90.1 87.2 77.2一、氧气的制备1.实验室制法2 KClO 32 KCl +3 O 22. 工业制法---液态空气的分馏MnO 2空气的分离：•气态空气加压力,冷却液化空气+CO(s)2•77K,精馏液化空气+ N(g)2•87.2K, 精馏液化空气+ Ar(g)•90.1K, 精馏O(g)2•O2+ Pt + 3 F2= O2+[PtF6]-O2+ PtF6= O2PtF6•O2的第一电离势：1175.7kJ/mol •Xe的第一电离势：1171.5 kJ /mol •第一个稀有气体化合物•Xe+PtF6= Xe+[PtF6]-基态O2，O2+, O2-, O22-的电子结构分子/离子能级键级磁性例O2KK(σ2s)2(σ2s*)2(σ2p)2(π2p)4 (π2p*)2 2 顺O2O2+KK(σ2s)2(σ2s*)2(σ2p)2(π2p)4 (π2p*)1 2.5 顺O2[PtF6]O2-KK(σ2s)2(σ2s*)2(σ2p)2(π2p)4 (π2p*)3 1.5 顺KO2O22-KK(σ2s)2(σ2s*)2(σ2p)2(π2p)4 (π2p*)4 1 逆Na2O2三、氧气的化学性质1.强氧化性2.生成氧化物，过氧化物，超氧化物O+,含氧酸中的配位键，3.配位性: H3与血红素的二价铁络合•激发单线态氧分子在水溶液中的寿命：寿命：10-6~10-5s ,能量差：+ 92.0kJ/mol ：寿命：10-9 s, 能量差：+154.8 kJ/mol )O (Δ21g 1∑+g 211)O (•单线态氧生成：光敏化法, 微波放电, 化学方法五、臭氧（Ozone ）1. O2的同素异形体----O 32. 大气臭氧层的光化学平衡(高度20～40 km)形成: O 2+ h νO + OO + O 2 O 3消除: O 3+ h νO + O 2λ<185 nm λ= 220~320 nm 平衡:3. 大气层中臭氧空洞的形成•CF2Cl2+ hνCF2Cl ∙+ Cl∙Cl∙+ O3ClO∙+ O2ClO∙+ O Cl∙+ O2•NO2+ hνNO + ONO + O3NO2+ O2NO2+ O NO + O2λ<221 nmλ<426 nm4. 臭氧的化学性质-----氧化性比氧气更强2PbS + 3 O2= 2 PbO+ 2 SO2PbS+ 2 O3= Pb SO4+ O2CN-+O3 = OCN-+O2O2和O3的混合气体中O3浓度的测定：pH=9O3 + 2I-+ H2O = O2 + I2+ 2OH-路易斯结构式：O 3的化学键结构•2σ+ 1 ∏43•2σ：O (2) sp 2+ O (1) p yO (2) sp 2+ O (3) p y•1 ∏43:O (1) p z + O (2) p z + O (3) p z •∏34的键级=1平均每一个O-O 键的键级=1.56.离域∏p-p 键定义:含有三个或三个以上原子的π键叫离域π键,用表示,n代表原子数,m代表电子数.离域∏p-p 键生成的条件:a . 成键原子必须在同一个平面上, 或在同一条直线上.b. 具有π对称性的原子轨道，线形组合成具有π对称性的分子轨道。

96第6章 固体的磁性和磁性材料§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念6.1.1 固体的磁性质某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。

这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。

因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。

它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。

我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。

在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。

图6.1就说明这些情形。

(b)(d)(c)图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性a 抗磁性b 铁磁性c 反铁磁性d 亚铁磁性磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。

6.1.2 磁学基本概念1．物质在磁场中的行为97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。

如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：B = H + 4πI 6.1.1导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = HB = 1 + 4πK 6.1.2 K = HI 6.1.3 摩尔磁化率χ为χ= dM κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。

根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。

固体物理学基础晶体的磁性与磁场效应在固体物理学中，晶体的磁性及其在磁场中的行为是一个广泛研究的课题。

磁性材料的研究不仅具有科学意义，也具有重要的应用价值。

本文将从晶体的磁性起源、基本磁性效应以及磁场对晶体的影响等方面进行探讨。

一、晶体的磁性起源晶体的磁性起源于其中的原子、离子或分子的磁性，这种磁性来源称为局域磁性。

例如，某些过渡金属离子由于其未成对电子的存在，表现出明显的磁性。

此外，晶体中的局域磁性也可以来自于自旋轨道耦合、晶体场效应等因素。

二、基本磁性效应1. 磁化强度与磁化率晶体的磁性可以通过磁化强度和磁化率来描述。

磁化强度是单位体积内的磁矢量总和。

而磁化率则是磁化强度和外加磁场之间的比例关系。

通过测量磁化强度和磁场的关系，可以更加深入地研究晶体的磁性行为。

2. 磁畴和磁畴壁晶体中的磁化强度通常会出现一定的排列顺序，形成磁畴。

磁畴是具有相同磁导数的磁区域。

而磁畴之间的过渡区域称为磁畴壁。

磁畴和磁畴壁的形成与晶体中的磁性相互作用密切相关。

三、磁场对晶体的影响1. 各向异性磁性晶体的结构对其磁性行为有着重要的影响。

晶体中的各向异性磁性意味着晶体在不同方向上具有不同的磁性。

各向异性磁性的形成源于晶体结构中的非球形电子云对磁场的不同响应。

2. 磁滞效应当外加磁场改变时，晶体中的磁化强度并不会立即跟随磁场的变化而变化，而是存在一定的滞后现象，这种现象称为磁滞效应。

磁滞效应与晶体中的磁畴和磁畴壁有着密切的联系。

3. 磁各向异性晶体在磁场中的响应也受到磁各向异性的影响。

磁各向异性是指晶体在不同磁场方向上表现出不同的磁性响应。

晶体中的磁各向异性可以通过测量磁化强度随磁场方向变化的关系来确定。

四、磁场效应的应用晶体的磁场效应在各个领域都有广泛的应用。

在磁记录领域，磁场对晶体的影响被用于磁存储器的设计和制造。

在磁共振成像领域，晶体的磁性行为可以被用于图像的获取和分析。

此外，磁场效应还可以应用于磁传感器、磁随机存取存储器等领域。