抗磁性
同修 / 2022-07-18
抗磁性
抗磁性是所有各種形式的物質(zhì)所共有的一種性質(zhì)。所有的物質(zhì)至少都含有一些在閉合殼層上的電子。在閉合殼層上，各個電子的電子一自旋磁矩和軌道磁矩彼此抵消，所以沒有凈的磁矩。然而，當(dāng)把一個原子或分子置于磁場中時，一個正比于磁場強度的小磁矩就被誘導(dǎo)產(chǎn)生。電子自旋與這個誘導(dǎo)磁矩?zé)o關(guān)；它們?nèi)匀皇欠雌叫械某蓪喂痰嘏己显谝黄?。但是軌道平面被稍微扭斜，因而產(chǎn)生出一個與所用磁場反向的小的凈軌道磁矩。就是因為這個反向的磁矩，抗磁性物質(zhì)受到從磁場中向外排斥的作用。
甚至具有永久磁矩的一個原子，當(dāng)放入一個磁場中時，僅僅只要這個原子有一個或更多的電子閉合殼層，就會有與順磁性反向的抗磁性行為發(fā)生。因此，測量的凈的順磁性要比真正的順磁性稍低，因為后者有一部分已被抗磁性“抵消”。
因為抗磁性通常比順磁性低幾個數(shù)量級，所以含有未成對電子的物質(zhì)幾乎總是具有凈的順磁性。當(dāng)然，一個順磁性離子在一個抗磁性溶劑(例如水)中的很稀的溶液，因為其中抗磁性物種對順磁性物種的比率很大，因而可能是抗磁性的?？勾判缘牧硪粋€重要特征是它的大小不隨溫度變化。這是因為誘導(dǎo)的磁矩只依賴于在閉合殼層中的軌道的大小和形狀，而這些是與溫度無關(guān)的。
19-7. 磁化率
對磁矩的測量值的恰當(dāng)?shù)慕忉尶梢缘玫交瘜W(xué)上有用的信息。但是，磁矩并不是直接測量的，而是測量一個材料的磁化率，由此可以計算其中的順磁性離子或原子的磁矩。
磁化率是以如下方式定義的。如果把一個樣品放在強度為H的磁場中，在物質(zhì)內(nèi)部的磁通量B由下式給出：
B=H+4兀1(19-5)
I稱為磁化強度。比率B/H稱為該物質(zhì)的磁導(dǎo)率，它由下式給出：
B/H=1+4兀(I/H)=1+4兀K (19-6)
k稱為單位體積的磁化率，或簡稱體積磁化率。方程(19-6)的物理意義是容易理解的。磁導(dǎo)率B/H是通過樣品內(nèi)部的磁力線的密度與沒有樣品存在時在相同區(qū)域里磁力線的密度之比。因此真空的體積磁化率定義為零，因為真空的B/H=1?？勾判晕镔|(zhì)的磁化率為負(fù)值，因為由誘導(dǎo)偶極而來的磁力線抵消了一些所用磁場的磁力線。對于順磁性物質(zhì)，在物質(zhì)內(nèi)部的磁通量大于流過真空的磁通量，因此順磁性物質(zhì)具有正的磁化率。
測量磁化率有多種方法，所有這些方法都有賴于當(dāng)把樣品放置于一個非均勻的磁場中，對作用于樣品上的力的測量。順磁性愈大的物體，愈強地被拉向強磁場部份。
19-8. 由磁化率計算磁矩
在重量的基礎(chǔ)上討論磁化率通常比基于體積的討論更方便些。因此應(yīng)用以下關(guān)系：
k/d=x （19-7a）
Mx=xM （19-7b)
在這些方程式中d是密度(克·厘米-3)，M是分子量。x稱為克磁化率而xM叫做摩爾磁化率。當(dāng)由測量體積磁化率K而得到一個xM時，它可以對抗磁性的貢獻(xiàn)和TIP作出校正從而給出“校正的”摩爾磁化率，這是在做出關(guān)于電子結(jié)構(gòu)的結(jié)論時，最有用的數(shù)量。
派勒居里Pierre Curie 在他的經(jīng)典的研究中表明，順磁磁化率反比于溫度并且常常服從或近似地服從簡單方程式
x校正M=C/T (19-8)
這里T表示絕對溫度，C是一個物質(zhì)的特性常數(shù)并且通常稱為居里常數(shù)。方程(19-8)稱為居里定律*。
現(xiàn)在，在理論的基礎(chǔ)上也正是期望有這樣一個方程。樣品被放置于其中的磁場傾向于把順磁性原子或離子的磁矩平行取向排列；同時，熱運動又傾向于攪亂這些各個磁矩的取向。情況完全相似于含有電偶極的物質(zhì)在電極化時的情況。對后者，學(xué)生由通常的物理化學(xué)課程可能已經(jīng)熟悉了。應(yīng)用簡單的統(tǒng)計處理，我們得到下面的方程，它表明含有磁矩各為μ(以B.M.為單位)的獨立原子、離子或分子的物質(zhì)的摩爾磁化率如何隨溫度改變：
x校正M=Nμ2/3k/T (19-9)
其中N是阿佛加德羅常數(shù)，k是玻茲曼常數(shù)。顯然，由比較(19-8)和(19-9)：
C=Nμ2/3k (19-10)
在任何給定的溫度
μ=√3k/N. √x校正MT (19-11)
當(dāng)算出√3k/N的數(shù)值后，變成
μ=2.84√x簽校正MT（19-12）
因此，總括起來說，我們首先直接測量一個物質(zhì)的體積磁化率，由此計算出xm，在精確的工作中還對抗磁性和TIP作校正。由這個校正的摩爾磁化率和測量的溫度，由方程(19-12)，我們就能計算產(chǎn)生順磁性的離子、原子或分子的磁矩。
由方程(19-8)，我們希望假如對一個物質(zhì)在幾個溫度下測定，并用x校正M值的倒數(shù)對T作圖，就會得到通過原點的斜率為C的直線。雖然有許多物質(zhì)在實驗誤差范圍內(nèi)表現(xiàn)出這個行為，也有另外許多物質(zhì)，它們的這條直線并不通過原點，而是像圖19-2中的某一種情況：(a)與T軸相交于低于OK的溫度，(b)與T軸相交于高于OK的溫度。雖然，這樣的一條直線可以由Curie方程稍作改進(jìn)來描述， (19-13)。
這里θ是直線與T軸相交的溫度。這個方程所表示的內(nèi)容就是居里-威斯(Curie-Weiss)定律，而0稱為Weiss常數(shù)。實際上如果我們假定一個固體的各種離子、原子和分子中的偶極并不是在得到方程(19-9)時所假定的那樣，是完全獨立的，而是其中每一個偶極的取向就像受作用于它的外場的影響一樣，也受到它周圍相鄰的其它偶極的影響，就可以得到這樣的方程。因此，威斯常數(shù)可以認(rèn)為是包括了離子間或分子間的相互作用，因而我們可以用下述方程代替方程(19-12)來計算磁矩，以消除這個外來的影響。μ=2.84/x校正M（T-θ) (19-14)
不幸，也有那樣的情況，磁行為表現(xiàn)得服從居里-威斯方程，但是沒有能夠做這樣簡單解釋的威斯常數(shù)。在這樣的情況下應(yīng)用方程(19-14)常常是十分錯誤的。在居里定律不能正確地符合實驗數(shù)據(jù)和居里-威斯定律的適用性有懷疑(即使它可能符合數(shù)據(jù))的情況下，最好的辦法是應(yīng)用居里定律，例如用方程(19-12)，算出一個在給定溫度下的磁矩并稱之為有效磁矩。在這種情況下，無論如何不能把未加論證的推斷用來聯(lián)系實驗所得的可靠事實。
.jpg "威斯定律")
閩ICP備15011996號-4
|
閩公網(wǎng)安備35040002000218號
|