1. 居里顺磁性:物质内部微观结构的原子局域磁性(专业术语叫局域磁矩)在统计平均后导致的顺磁性,就是经常见到的居里顺磁性。
2. 泡利顺磁性:这种顺磁性由金属中的传导电子的自旋磁矩所引起。正常情况,也就是不加磁场时物质内部电子的自旋是非极化的;在加磁场之后导致自旋与磁场平行的电子数量增多,从而出现了相应的顺磁性。
3. 范弗莱克顺磁性:这种顺磁性由磁场作用于电子之后使电子云产生了形变所致。
4. 杂质和缺陷的顺磁性:由于晶体中的杂质和缺陷往往对应了其内部具有未配对的电子,这些电子的自旋贡献了一定的顺磁性。
接下来我们稍微具体来说一说每一种磁性。
居里顺磁性
居里定律不是大家熟知的居里夫人提出的,而是她的丈夫皮埃尔.居里提出的。他指出,物质的顺磁性与温度成反比。后来这一定律被外斯扩展成了居里-外斯定律,服从下面的式子:
图1. 物质顺磁性和铁磁性的说明:左图是居里温度以下存在的铁磁性,不加磁场时电子自旋相互作用产生极化,对外也可显示磁性;右图是居里温度以上的顺磁性,不加磁场时电子磁矩随机排列,对外不显示磁性,加上磁场之后,电子磁矩在磁场下产生极化,对外表现顺磁性。
图2. 居里夫人和她的丈夫皮埃尔.居里
泡利顺磁性
给一块材料加上一个磁场之后,其自旋向下的电子能量升高,而自旋向上的电子能量降低。为了达到一个新的平衡态,自旋向下的电子会发生自旋翻转而成为自旋向上的电子,从而降低自己的能量。最终结果会导致自旋向上的电子数量会明显多于自旋向下的电子数量,从而会表现出一个与磁场方向相同的净磁矩,这就是泡利顺磁性。
图3. 泡利顺磁性的图示
范弗莱克顺磁性
显然,这种顺磁性是一个名叫范弗莱克的物理学家提出的,他因基于量子力学上的对物质磁性的理解作出的工作获得了1977年的诺贝尔物理学奖。他通过理论计算得出了对于一些不对称分子或原子中,会在通常的抗磁性贡献上叠加一个顺磁项,这一项也是与温度无关的。
图4. 物理学家范.弗莱克
杂质和缺陷的顺磁性
这种磁性很容易理解,就是未配对电子的自旋磁矩引起的。显然这种磁性是和杂质和缺陷的量有关。因此测量物质磁性的大小有可能让我们探测到材料内部杂质和缺陷的多少。
在外加磁场下,杂质和缺陷态分类为两个能级,自旋向上的电子能量低,自旋向下的能量高。而电子将主要占据能量低的状态。若在垂直磁场的方向加一个交变的电磁场,电磁场的频率满足一定的条件时,电子有可能吸收电磁场的能量量子从低能状态跳到高能状态,对应于这个电磁场频率会出现一个明显的吸收峰,这个现象被称为电子自旋共振。我们根据电子自旋共振信号的强弱便可以测定杂质和缺陷的浓度。
图5. 电子自旋共振谱仪
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