物质的磁性起源和超交换作用

关于物质的磁性起源和超交换作用第一页，共十一页，2022年，8月28日磁性起源原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩。

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；

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。第二页，共十一页，2022年，8月28日电子轨道磁矩

电子绕原子核作轨道运动,相当于有电流的闭合回路,它产生一个磁矩.

由于轨道平面有不同的方向,在有外磁场的的情况下,电子轨道磁矩在磁场方向上的分量为:

角量子数l＝0，1，2…n-1（n个取值）磁量子数ml＝0、±1、±2、±3∙∙∙∙∙∙±l（2l+1个取值）第三页，共十一页，2022年，8月28日l＝0时，即s态，Pl＝0，μl＝0(特殊统计分布状态)；l≠0时，如果电子壳层中无单电子，在填充满电子的次壳层中，各电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，形成球形对称分布体系，那么合成的总角动量等于零，µl

＝0；如果电子壳层中存在单电子，那么合成的总角动量不等于零，µl≠0，且µl不是

µB的整数倍。计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些次壳层中的电子——这些壳层称为磁性电子壳层。第四页，共十一页，2022年，8月28日电子自旋磁矩电子自旋磁矩在外磁场方向分量等于一个μB，取正或取负。在外磁场上的分量第五页，共十一页，2022年，8月28日电子总磁矩可写为：第六页，共十一页，2022年，8月28日超交换作用

铁氧体是由多种金属原子和氧原子所组成的化合物,在铁氧体的晶格中,最相邻的A位和B位上的金属离子Me2+(rMe=0.06~0.09nm)被离子半径较大的非磁性氧离子O2-(ro≈0.132nm)隔开,金属离子Me2+间的距离实在太大,以致于电子不可能有直接的交换作用。1934年,克拉默斯首先提出了一种交换作用模型一超交换作用模型:反铁磁性和亚铁磁性物体内的磁性离子之间的交换作用是通过隔在中间的非磁性离子为媒介来实现的,故称为超交换作用。因此，铁氧体的交换作用是通过隔在中间的非磁性氧离子为媒介来实现的超交换作用。第七页，共十一页，2022年，8月28日超交换作用原理（以MnO为例）

超交换作用原理（a）基态；（b）激发态为分析方便，我们取耦合键角为180度情况。基态时，Mn2+离子的未满电子壳层组态为3d5，5个自旋彼此平行取向，O2-的最外层电子组态为2p6，其自旋角动量和轨道角动量都是彼此抵消的，无净自旋磁矩，它们的排列情况如图（a）所示。这种情况下，Mn2+与O2-的电子波函数在成180度键角方向时可能有较大的迭交，只是O2-离子无磁性，不能导致自发磁化。但是，由于有迭交，提供了2p电子迁移到Mn2+的3d轨道内的机会，使体系完全有可能变成含有Mn2+和O2-的激发态。如图（b）所示．第八页，共十一页，2022年，8月28日

O2-离子2p轨道向近邻的Mn2+离子伸展，这样2p轨道电子云与Mn2+离子电子云交叠，2p轨道电子有可能迁移到Mn2+离子中。假设，一个2p电子转移到Mn2+离子的3d轨道。在此情况下，该电子必须使它的自旋与的Mn2+总自旋反平行，因为Mn2+已经有5个电子，按照洪德定则，其空轨道只能接受一个与5个电子自旋反平行的电子。另一方面，按泡利不相容原理，2p轨道上的剩余电子的自旋必须与被转移的电子的自旋反平行。此时，由于O-离子与另一个Mn2+离子的交换作用是负的，故O-离子2p轨道剩余电子与Mn2+离子3d电子自旋反平行取向。这样，Mn2+的自旋必定为反平行排列。当夹角是180度时，超交换作用最强，而当角度变小时作用变弱，这就是超交换作