顺磁性物质

铁磁、反铁磁、顺

磁、抗磁

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铁磁性

铁磁性

Ferromagnetism

过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，

这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。钐(Sam

arium)，钕(neodymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。

铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象

的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能

使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁

饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首

先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量

子力学解释。1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁

理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。

铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平

行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁

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性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁

场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料

被磁化[1]。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。

当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们

被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。

当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度

叫居里温度(Curietemperature)。

如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方

向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostrictio

n)。

产生铁磁性条件：

铁磁质的自发磁化：

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。

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（sponta

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neousmagnetization）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3μ

B，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。

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

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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。

具有铁磁性的元素：

到目前为止,仅有四种金属元素在室温以上是铁磁性的，即铁，钴，镍和

钆，

极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钬、铒和铥

居里温度分别为：铁768℃,钴1070℃,镍376℃,钆20℃

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反铁磁性

概念解析在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中,如

果相邻原子自旋间因受负的交换作用,自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序

状态(称为序磁性)，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状

态称为反铁磁性。注：①这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向

排列，即材料显示出小的正磁化率。但该磁化率与温度相关，并在奈尔点有

最大值。②用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。

反铁磁性是指由于电子自旋[1]反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化

强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个

子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体。反铁磁性物质大都

是非金属化合物，如MnO。不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物

质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方

向，磁化率为正值。温度很高时，极小；温度降低，逐渐增大。在一定温度

时，达最大值。称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点。对尼尔点存在的解释

是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，

故磁化率几乎接近于0。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，增加。当

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温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同

的磁化行为。反铁磁性物质置於磁场中，其邻近原子之磁矩相等而排列方向

刚好相反，因此其磁化率为零。许多过渡元素之化合物都有这种反铁磁

性。物质之磁矩是由其内每一原子内之电子之自旋，及轨道运动所产生之

磁矩和及原子间之交互作用之和。利用物质之磁矩对中子磁矩作用产生之绕

射现象，可以测定物质内原子磁矩之分布方向和次序。利用中子绕射而测得

之MnF2和NiO二种反铁磁性物质之磁矩结构。在MnF2反铁磁性物质中，

Mn离子其3d轨道未饱和之电子受到磁场磁化之磁矩依面心立方晶格〔Fc

c〕而分布，因在每一角落上离子之磁矩都是同一方向。而在其立方面上之

离子磁矩都在同一相反方向。其向量和等于零，因而此种物质之磁化率，X

等于零。物质在磁场中之取向效应受到热激动的抵抗，因而其磁化率随温

度而变。当温度等于某一温度－尼尔温度（NeelTemperature）时，反铁磁

物质的磁化率会稍微上升，当温度超过尼尔温度TN时，则反铁磁性物质之

磁性近于顺磁性。

顺磁性

paramagnetism

顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1～3个数量级，X约10-5～1

0-3，遵守Curie定律或Curie-Weiss定律。物质中具有不成对电子的离

子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁

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矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出

顺磁性。

顺磁性是一种弱磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没

有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩

之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下

处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加

磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用

使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加

磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成

为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10-5)，并

且随温度的降低而增大。

常见的顺磁物质有氧气、金属铂(白金)、一氧化氮、含掺杂原子的半导

体{如掺磷(P)或砷(As)的硅(Si)}、由幅照产生位错和缺陷的物质等。还有含

导电电子的金属如锂(Li)、钠(Na)等，这些顺磁(性)金属的顺磁磁化率却与温

度无关，这种金属的特殊顺磁性是可以用量子力学解释的。顺磁性虽是一种

弱磁性，但也有其重要的应用，例如，从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以

研究其结构，特别是电子组态结构；利用顺磁物质的绝热退磁效应可以获得

约1-10-3K的超低温度，这是一种产生超低温度的重要方法；在顺磁性和顺

磁共振基础上发展起来的顺磁微波量子放大器，不但是早期研制和应用的一

种超低噪声的微波放大器，而且也促进了激光器的研究和发明，在生命科学

方面，如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性，但在同氧结合后便

转变为抗磁性，这两种弱磁性的相互转变就反映了生物体内的氧化和还原过

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程，因而其磁性研究成为这种重要生命现象的一种研究方法；如果目前医学

上有着重要应用的核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以预

料利用这一技术便可显示生物体内顺磁物质(如血红蛋白和自由基等)的分布

和变化，这会在生命科学和医学上得到重要的应用。

简而言之：电子自旋产生磁场，分子中有不成对电子时，各单电子平行

自旋，磁场加强。这时物质呈顺磁性。

抗磁性

diamagnetism

抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受

到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方

向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。

磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比

值，符号为κ。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一(-10-6)。

常见的抗磁物质：水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织。抗磁

物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化。

物质抗磁性的应用主要有：由物质的磁化率研究相关的物质结构是磁化

学的一个重要研究内容；一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直

流)磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振)，由此可测定

半导体中载流子(电子和空穴)的符号和有效质量；由生物抗磁(性)组织的磁化

率异常变化可推测该组织的病变(如癌变)。

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核磁共振谱中的抗磁性。它是由于原子核外电子环流的作用使物质具有

的磁特性。当所产生的磁性作用在与外加磁场相反的方向时产生屏蔽，则称

为抗磁性。如物质中存在不配对电子时，则出现顺磁性，而且可超过任何的

抗磁性。屏蔽与去屏蔽取决于核相对任一感生磁场的方向，故称为各向异性

效应。抗磁性各向异性是由π和δ电子云内的环流引起的。

一般而言,分子中无不成对电子时,物质呈抗磁性

1970年，瑞典皇家科学院决定把该年度的诺贝尔物理学奖授予瑞典物理学

家阿尔芬及法国物理学家奈尔，因为阿耳芬在磁流体及等离子体方面作出了重

大贡献，而奈尔则因在反铁磁和亚铁磁方面的重要发现和基础研究而获奖的。

奈尔，1904年11月22日出生于法国里昂，他在物理学中的主要贡献除发现反

铁磁性和铁氧磁体外，还在物理磁性的其它方面做了一些重要工作，如微粒的

磁性，磁性输运，磁体内部分散磁场、超反铁磁性等。我们今天主要介绍它所

发现的反铁磁性与亚铁磁性。

大约到了本世纪三十年代初，人们对反磁性、顺磁性和铁磁性已得到满

意的说明。1932年，奈尔发现根据磁矩间相互作用又很自然地说明了另一种铁

磁体的磁性，即反铁磁性，按照奈尔的理论，在反铁磁体中磁矩存在两套排列

方式。我们知道，铁磁体磁化时，各个组成原子的磁矩倾向于按同一方向排

列，即平行于外磁场的方向排列，因此铁磁体的总磁矩就等于所有组成原子的

磁矩之和。如果也把铁磁体中磁矩分成两套排列方式的话，这两套磁矩具有相

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同的排列方式。如图（a）；对于反铁磁体中的两套磁矩，它们是相间排列的，

每套磁矩排列是完全一致的，相邻磁矩排列却是反平行的，两套磁矩大小几乎

一样，因此其总的磁矩也几乎为零，如图（b）。铁磁性、反铁磁性与亚铁磁性

磁矩排列示意图1948年，奈尔又根据他的理论成功地解释了亚铁性的磁化规

律，奈尔认为，在亚铁磁体磁化时，两套磁矩的排列也是相反的，但两套磁矩

的大小不相等，沿某一方向排列的磁矩较大，沿相反方向排列的磁矩较小如图

（c），因此，亚铁磁体仍显示出较强的铁磁性。

奈尔经过研究后还发现，与铁磁体相类似地反铁磁体与亚铁磁体也存在

一个临界转变温度，在这个温度以下磁体表现为反铁磁性和亚铁磁性，而温度

超过这一临界温度时，磁体就表现为顺磁性。不同材料磁体具有不同的临界温

度，这个临界温度就称为奈尔温度。铁氧体是一种亚铁磁体，它是天然磁铁矿

的主要成份，它的化学组成是四氧化三铁。一般亚铁磁体具有很高的电阻，不

易受杂散电流的影响，因此它们在电话机、磁带涂层、计算机的记忆磁芯及变

压磁等低损耗高频技术中是极为有用的。它们也可以用于发动机中的永久磁

铁、扬声器与麦克风中。