居里定律# 对于顺磁物质,有居里定律:
< M > = N g S μ B B S ( S X ) , X = g μ B μ 0 H k B T \left< M \right>=NgS\mu_BB_S(SX), X=\frac{g\mu_B\mu_0H}{k_BT} ⟨ M ⟩ = N g S μ B B S ( SX ) , X = k B T g μ B μ 0 H 其中,B S B_S B S 为Brillouin Function:
B J ( y ) = 2 J + 1 2 J coth ( 2 J + 1 2 J y ) − 1 2 J coth y 2 J B_J(y)=\frac{2J+1}{2J}\coth\left(\frac{2J+1}{2J}y\right)-\frac{1}{2J}\coth\frac{y}{2J} B J ( y ) = 2 J 2 J + 1 coth ( 2 J 2 J + 1 y ) − 2 J 1 coth 2 J y 其高温极限为:
< M > = N g 2 μ B 2 S ( S + 1 ) μ 0 H 3 k B T \left<M\right>=\frac{Ng^2\mu_B^2S(S+1)\mu_0H}{3k_BT} ⟨ M ⟩ = 3 k B T N g 2 μ B 2 S ( S + 1 ) μ 0 H 其中,g g g 为等效朗德因子,利用微扰论可以通过改变g g g 值来引入LS耦合的作用,在顺磁共振中比较常见。S S S 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。N N N 是单位体积(或单位质量)的原子数,取决于M M M 是如何取平均的。
TIP 对于铁磁物质的Curie-Weiss 定律,只需将T T T 换T − Θ T-\Theta T − Θ 即可,Θ \Theta Θ 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} emu/g 。某些经验中给出了以下公式(可见这是磁矩的单位):
1 emu = 1 0 − 3 A ⋅ m 2 1\text{emu}=10^{-3}\text{A}\cdot\text{m}^2 1 emu = 1 0 − 3 A ⋅ 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} emu/g 是对质量归一的磁矩。
磁场的单位为Oe \text{Oe} Oe ,数值上与T(Tesla)的关系为:
1 T = 10000 Oe 1\text{T}=10000\text{Oe} 1 T = 10000 Oe 实际上,在CGS下,可以视为μ 0 \mu_0 μ 0 被并入了H H H :
H ( CGS ) = μ 0 H ( SI ) 1 Oe = 4 π × 1 0 − 7 N/A 2 × 1 0 3 / 4 π A/m = 1 0 − 4 N / ( A ⋅ m ) = 1 0 − 4 T H(\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} H ( CGS ) = μ 0 H ( SI ) 1 Oe = 4 π × 1 0 − 7 N/A 2 × 1 0 3 /4 π A/m = 1 0 − 4 N / ( A ⋅ m ) = 1 0 − 4 T 另外,注意到:
1 T = 1 N / ( A ⋅ m ) = 1 N ⋅ m / ( A ⋅ m 2 ) = 1 0 − 3 J / emu 1\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} 1 T = 1 N / ( A ⋅ m ) = 1 N ⋅ m / ( A ⋅ m 2 ) = 1 0 − 3 J / emu 即:
1 Oe = 1 0 − 7 J/emu 1\text{Oe}=10^{-7}\text{J/emu} 1 Oe = 1 0 − 7 J/emu 或:
1 J = 1 0 7 Oe ⋅ emu 1\text{J} = 10^{7}\text{Oe}\cdot\text{emu} 1 J = 1 0 7 Oe ⋅ emu 居里定律:应用# 若使用Oe作为磁场单位,应该将μ 0 \mu_0 μ 0 并入H H H :
χ = g 2 S ( S + 1 ) N μ B 2 3 k B T , χ ≡ M μ 0 H \chi=g^2S(S+1)\frac{N\mu_B^2}{3k_BT},\;\chi\equiv\frac{M}{\mu_0 H} χ = g 2 S ( S + 1 ) 3 k B T N μ B 2 , χ ≡ μ 0 H M 此时,磁化率单位为emu ⋅ Oe − 1 ⋅ g − 1 \text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{g}^{-1} emu ⋅ Oe − 1 ⋅ g − 1 . 对于原子的价电子可以近似为单个自由电子(n s 1 ns^1 n s 1 )的情况下,可取S = 1 / 2 , g = 2 S=1/2,g=2 S = 1/2 , g = 2 :
χ = N μ B 2 k B T \chi=\frac{N\mu_B^2}{k_BT} χ = k B T N μ B 2 分析磁化率曲线,可取倒数:
1 χ = k B N μ B 2 T \frac{1}{\chi}=\frac{k_B}{N\mu_B^2}T χ 1 = N μ B 2 k B T 斜率的单位应该为K − 1 emu − 1 ⋅ Oe ⋅ g \text{K}^{-1}\text{emu}^{-1}\cdot\text{Oe}\cdot\text{g} K − 1 emu − 1 ⋅ Oe ⋅ g .
N N N :单位为g − 1 g^{-1} g − 1 ,表示单位质量的顺磁原子数。假设其数值为n n n
μ B \mu_B μ B :玻尔磁子。9.274× 1 0 − 24 \times10^{-24} × 1 0 − 24 A⋅ \cdot ⋅ m2 ^2 2 =9.274 × 1 0 − 21 emu 9.274\times10^{-21}\text {emu} 9.274 × 1 0 − 21 emu .
k B k_B k B :玻尔兹曼常数。1.380649 × 1 0 − 23 1.380649 × 10^{-23} 1.380649 × 1 0 − 23 J/K=1.380649 × 1 0 − 16 1.380649 × 10^{-16} 1.380649 × 1 0 − 16 Oe⋅ \cdot ⋅ emu/K
综上,斜率为:
k = 16.053 × 1 0 23 / n [ Oe.g/K/emu ] k=16.053\times 10^{23}/n \;[\text{Oe.g/K/emu}] k = 16.053 × 1 0 23 / n [ 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}] N = 2.66/ k [ mol/g ] 非顺磁# 此时,由于未知g , S g,S g , S ,直接将这些并入μ B \mu_B μ B ,并将其理解为等效磁矩μ S \mu_S μ S :
χ = N A n ( g S ( S + 1 ) μ B ) 2 3 k B T = N A μ S 2 3 k B T \chi = \frac{N_An(g\sqrt{S(S+1)}\mu_B)^2}{3k_BT}=\frac{N_A\mu_S^2}{3k_BT} χ = 3 k B T N A n ( g S ( S + 1 ) μ B ) 2 = 3 k B T N A μ S 2 其中,N = n N A N=nN_A N = n N A ,N A = 6.02 × 1 0 23 N_A=6.02\times 10^{23} N A = 6.02 × 1 0 23 为Avogadro constant. 对质量(g g g )归一的情况下,
N N N 表示每克的顺磁原子数,则n n n 表示每克中的顺磁原子摩尔数.
通常讨论原子磁矩时,会以μ B \mu_B μ B 为unit,则:
χ = n N A ( μ μ B ) 2 3 k B T \chi=\frac{nN_A(\mu\mu_B)^2}{3k_BT} χ = 3 k B T n N A ( μ μ B ) 2 取倒数:
1 χ = 3 k B n N A μ B 2 μ 2 T \frac{1}{\chi}=\frac{3k_B}{nN_A\mu_B^2\mu^2}T χ 1 = n N A μ B 2 μ 2 3 k B T 仍然采用CGS单位制。代入常数:
χ − 1 = 8 n μ 2 T \chi^{-1}=\frac{8}{n\mu^2}T χ − 1 = n μ 2 8 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x x x ),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:
1 χ / x = 8 n ′ μ 2 T \frac{1}{\chi/x}=\frac{8}{n'\mu^2}T χ / x 1 = n ′ μ 2 8 T 此处,χ / x \chi/x χ / x 便是对mol归一(Fe-Site 作为Unit)的磁化率。其单位是:
emu ⋅ Oe − 1 ⋅ g − 1 ⋅ ( mol/g ) − 1 = emu ⋅ Oe − 1 ⋅ mol − 1 \text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot g^{-1}\cdot(\text{mol/g})^{-1}=\text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{mol}^{-1} emu ⋅ Oe − 1 ⋅ g − 1 ⋅ ( mol/g ) − 1 = emu ⋅ Oe − 1 ⋅ 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:
χ − 1 = 8 n μ 2 T \chi^{-1}=\frac{8}{n\mu^2}T χ − 1 = n μ 2 8 T 其中,χ \chi χ 是对 g或mol(对mol归一时,注意以谁为unit) 归一的磁化率(单位:emu ⋅ Oe − 1 ⋅ g − 1 \text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{g}^{-1} emu ⋅ Oe − 1 ⋅ g − 1 或emu ⋅ Oe − 1 ⋅ mol − 1 \text{emu}\cdot\text{Oe}^{-1}\cdot \text{mol}^{-1} emu ⋅ Oe − 1 ⋅ mol − 1 )。n n n 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 μ 是每个顺磁原子的磁矩(以μ B \mu_B μ B 为单位)。T T T 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:
1 χ = 8 x n ′ μ 2 T \frac{1}{\chi}=\frac{8}{xn'\mu^2}T χ 1 = x n ′ μ 2 8 T 此处,x = 0.00377 x=0.00377 x = 0.00377 [mol/g],n ′ n' n ′ 为每个Fe-Site (或每份FeGa3原子集中) 上的平均顺磁原子。
在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 μ = 1.73 。
记拟合斜率为k k k , 则:
n ′ = 8 k x μ 2 n'=\frac{8}{kx\mu^2} n ′ = k x μ 2 8