分享

为什么铁钴镍有磁性,而铜等其他的很多金属却没有磁性?

 大隆龙 2018-09-04

在元素周期表中,铁、钴、镍、铜是挨着的,铁是八族元素,钴是九族元素,镍是十族元素,铜是十一族元素。

铁的原子序数是26,电子结构是[Ar]3d^64s^2,其中3d电子未填充满,同时3d电子是传导电子,换句话说3d电子并不隶属于某个原子核,而是被全部原子核所共享的。

原子能级填充次序,可见先填充4s,再填充3d。

钴的原子序数是27,电子结构是[Ar]3d^74s^2,镍的原子序数是28,电子结构是[Ar]3d^84s^2。铁、钴、镍的原子结构是类似的,3d电子都没有填充满,这意味着未填充满的3d电子有可能是铁、钴、镍具有铁磁性的原因。

常见铁磁体的居里温度和磁矩。

实验发现铁、钴、镍平均到每个原子身上的磁矩不是整数,这说明用局域电子的磁矩无法解释铁、钴、镍的铁磁性,我们必须把铁、钴、镍的3d电子考虑为巡游电子。

铜的原子序数是29,电子结构是[Ar]3d^104s^1。和铁、钴、镍不同,铜原子的3d电子是填充满的,对磁矩的贡献正好抵消,我们只需要考虑4s电子(铜的4s电子是巡游电子)。

为了解释巡游电子的磁性,斯通纳发展出了巡游电子磁性理论。我们首先从哈伯德模型出发:

上式中的t项表示电子在晶格中的运动,对应电子的动能项。假设没有电子的相互作用(U项,相同格点有1个自旋向上和1个自旋向下的电子的时候,会有一个能量的增加),对应“自由电子”的色散关系ε(k)。

ε(k)对自旋向上和自旋向下是“对称”的,换句话说巡游电子的一半会占据自旋向上的态,另一半将占据自旋向下的态,对外不显示出磁性。铜对应的就是这种情况,对于铜来说U项很小,因此铜不具有铁磁性。

考虑U项后,自旋向上的电子数目和自旋向下电子数目可能不同,造成U项的减少,同时T项会增加,如果“U项的减少”比“T项的增加”多时,自旋向上和自旋向下电子数目的不均衡就会自发地发生。

这对应著名的斯通纳判据,UD(Ef)>1。

D(Ef)表示费米面处的态密度,“T项的增加”是:

这里D(Ef)δε对应自旋向下电子数目的减少,这部分电子构成了自旋向上电子数目的增加,由于泡利不相容原理,它们只能占据高于费米面的状态,对应能量的增加是D(Ef)δε^2。

与此同时U项是减少的:

斯通纳条件:

即:UD(Ef)>1。

对铁、钴、镍来说,恰好满足UD(Ef)>1,巡游电子中自旋向上电子数不同于自旋向下电子数的状态更稳定,因此具有铁磁性。

在不同维度下,电子的态密度是不一样的,某些材料在3维时不满足斯通纳判据,但被限制在2维时,由于态密度D(Ef)的增加而满足斯通纳判据,从而具有铁磁性。基于这个考虑,有些科学家推测Pd或V的单原子层会具有铁磁性。

铜和C60都没有铁磁性,但当我们把铜和C60的薄膜放在一起的时候,铜就具有了铁磁性。

此外,最近有一个实验表明,铜和C60的多层膜结构,由于C60层的存在,使铜中的3d电子和C60的π电子发生混合,相当于铜中的一些电荷(3d电子)发生了“转移”,这使得本来不具有磁性的铜变得有铁磁性了。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多