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磁化率曲线

居里定律#

对于顺磁物质,有居里定律:

<M>=NgSμBBS(SX),X=gμBμ0HkBT\left< M \right>=NgS\mu_BB_S(SX), X=\frac{g\mu_B\mu_0H}{k_BT}

其中,BSB_S为Brillouin Function:

BJ(y)=2J+12Jcoth(2J+12Jy)12Jcothy2JB_J(y)=\frac{2J+1}{2J}\coth\left(\frac{2J+1}{2J}y\right)-\frac{1}{2J}\coth\frac{y}{2J}

其高温极限为:

<M>=Ng2μB2S(S+1)μ0H3kBT\left<M\right>=\frac{Ng^2\mu_B^2S(S+1)\mu_0H}{3k_BT}

其中,gg为等效朗德因子,利用微扰论可以通过改变gg值来引入LS耦合的作用,在顺磁共振中比较常见。SS为体系(原子)的总自旋量子数,即原子物理常提到的单态(S=0),三重态(S=1)等。NN是单位体积(或单位质量)的原子数,取决于MM是如何取平均的。

TIP

对于铁磁物质的Curie-Weiss 定律,只需将TTTΘT-\Theta即可,Θ\Theta为相变温度。

单位问题#

emu#

VSM测量磁化,给出的物理量的单位是emu/g\text{emu/g}。某些经验中给出了以下公式(可见这是磁矩的单位):

1emu=103Am21\text{emu}=10^{-3}\text{A}\cdot\text{m}^2

磁化强度#

在电磁学中,磁化强度是对体积归一的磁矩,而此处给出的单位emu/g\text{emu/g}是对质量归一的磁矩。

磁场#

磁场的单位为Oe\text{Oe},数值上与T(Tesla)的关系为:

1T=10000Oe1\text{T}=10000\text{Oe}

实际上,在CGS下,可以视为μ0\mu_0被并入了HH

H(CGS)=μ0H(SI)1Oe=4π×107N/A2×103/4π  A/m=104N/(Am)=104TH(\text{CGS})=\mu_0H(\text{SI})\\ \begin{align} 1\text{Oe}&=4\pi\times10^{-7}\text{N/A}^2\times 10^3/4\pi\; \text{A/m}\\ &=10^{-4}\text{N}/(\text{A}\cdot \text{m})=10^{-4}\text{T} \end{align}

另外,注意到:

1T=1N/(Am)=1Nm/(Am2)=103J/emu1\text{T} = 1\text{N}/(\text{A}\cdot \text{m})=1\text{N}\cdot \text{m}/(\text{A}\cdot\text{m}^2)=10^{-3}\text{J}/\text{emu}

即:

1Oe=107J/emu1\text{Oe}=10^{-7}\text{J/emu}

或:

1J=107Oeemu1\text{J} = 10^{7}\text{Oe}\cdot\text{emu}

居里定律:应用#

若使用Oe作为磁场单位,应该将μ0\mu_0并入HH

χ=g2S(S+1)NμB23kBT,  χMμ0H\chi=g^2S(S+1)\frac{N\mu_B^2}{3k_BT},\;\chi\equiv\frac{M}{\mu_0 H}

此时,磁化率单位为emuOe1g1\text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{g}^{-1}. 对于原子的价电子可以近似为单个自由电子(ns1ns^1)的情况下,可取S=1/2,g=2S=1/2,g=2

χ=NμB2kBT\chi=\frac{N\mu_B^2}{k_BT}

分析磁化率曲线,可取倒数:

1χ=kBNμB2T\frac{1}{\chi}=\frac{k_B}{N\mu_B^2}T

斜率的单位应该为K1emu1Oeg\text{K}^{-1}\text{emu}^{-1}\cdot\text{Oe}\cdot\text{g}.

  1. NN:单位为g1g^{-1},表示单位质量的顺磁原子数。假设其数值为nn

  2. μB\mu_B:玻尔磁子。9.274×1024\times10^{-24} A\cdot m2^2=9.274×1021emu9.274\times10^{-21}\text {emu}.

  3. kBk_B:玻尔兹曼常数。1.380649×10231.380649 × 10^{-23}J/K=1.380649×10161.380649 × 10^{-16}Oe\cdot emu/K

综上,斜率为:

k=16.053×1023/n  [Oe.g/K/emu]k=16.053\times 10^{23}/n \;[\text{Oe.g/K/emu}]

其中,n为 1g 物质中的顺磁原子数:

N=2.66/k    [mol/g]N=2.66/k \;\;[\text{mol/g}]

非顺磁#

此时,由于未知g,Sg,S,直接将这些并入μB\mu_B,并将其理解为等效磁矩μS\mu_S

χ=NAn(gS(S+1)μB)23kBT=NAμS23kBT\chi = \frac{N_An(g\sqrt{S(S+1)}\mu_B)^2}{3k_BT}=\frac{N_A\mu_S^2}{3k_BT}

其中,N=nNAN=nN_ANA=6.02×1023N_A=6.02\times 10^{23}为Avogadro constant. 对质量(gg)归一的情况下,

NN表示每克的顺磁原子数,则nn表示每克中的顺磁原子摩尔数.

通常讨论原子磁矩时,会以μB\mu_B为unit,则:

χ=nNA(μμB)23kBT\chi=\frac{nN_A(\mu\mu_B)^2}{3k_BT}

取倒数:

1χ=3kBnNAμB2μ2T\frac{1}{\chi}=\frac{3k_B}{nN_A\mu_B^2\mu^2}T

仍然采用CGS单位制。代入常数:

χ1=8nμ2T\chi^{-1}=\frac{8}{n\mu^2}T

要求出每个Fe-Site中的顺磁原子数,需要知道1g物质中的Fe-Site mol数(设为xx),现每g中有n mol顺磁原子,而每g中有x mol Fe-Sites,则每个Fe-Site的平均顺磁原子数n’=n/x:

1χ/x=8nμ2T\frac{1}{\chi/x}=\frac{8}{n'\mu^2}T

此处,χ/x\chi/x便是对mol归一(Fe-Site 作为Unit)的磁化率。其单位是:

emuOe1g1(mol/g)1=emuOe1mol1\text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot g^{-1}\cdot(\text{mol/g})^{-1}=\text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{mol}^{-1}

Conclusion#

在CGS单位制(磁场-Oe, 质量-g, 磁矩-emu, 温度-K, 真空磁导率-1)下,居里定律在数值上可以表述为:

χ1=8nμ2T\chi^{-1}=\frac{8}{n\mu^2}T

其中,χ\chi是对 g或mol(对mol归一时,注意以谁为unit) 归一的磁化率(单位:emuOe1g1\text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{g}^{-1}emuOe1mol1\text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{mol}^{-1})。nn是每 g或1mol units 中的顺磁原子的mol数(对mol的情况,显然也可以是每个units中的顺磁原子数)。μ\mu是每个顺磁原子的磁矩(以μB\mu_B为单位)。TT为温度(单位:K)。

举个例子#

如,处理FeGa3体系时,若要研究每个Fe-Site上的平均磁矩,则首先取一个Unit为包含单一Fe-Site的Unit,不妨就取为FeGa3。1g的FeGa3包含0.00377mol的Unit,因而:

1χ=8xnμ2T\frac{1}{\chi}=\frac{8}{xn'\mu^2}T

此处,x=0.00377x=0.00377 [mol/g],nn'为每个Fe-Site (或每份FeGa3原子集中) 上的平均顺磁原子。

Magnetic Moments of Transition Metals - Chemistry LibreTexts上可以查到过渡族的局域磁矩值。比如对Fe(III) lowspin,μ=1.73\mu = 1.73

记拟合斜率为kk, 则:

n=8kxμ2n'=\frac{8}{kx\mu^2}
磁化率曲线
https://tsuanren.github.io/posts/磁化率曲线/
Author
Tsuan Ren
Published at
2024-12-10