交換作用理論

1、交換作用理論交換作用理論 材工材工10-1 為了解釋物質(zhì)的鐵磁性特征，皮埃為了解釋物質(zhì)的鐵磁性特征，皮埃爾爾外斯于外斯于1907年提出了年提出了“分子場(chǎng)分子場(chǎng)”假設(shè)。假設(shè)。外斯分子場(chǎng)理論包括兩個(gè)假設(shè)：（外斯分子場(chǎng)理論包括兩個(gè)假設(shè)：（1）分子）分子場(chǎng)假設(shè)；（場(chǎng)假設(shè)；（2）磁疇假設(shè)。）磁疇假設(shè)。 但是，最致命的缺陷就在于它未能觸及但是，最致命的缺陷就在于它未能觸及“分子場(chǎng)分子場(chǎng)”的本質(zhì)。的本質(zhì)。 ？ 1.1.Heisenberg交換作用理論交換作用理論 交換作用最早由弗蘭克爾與交換作用最早由弗蘭克爾與Heisenberg先后先后獨(dú)立提出，但獨(dú)立提出，但Heisenberg對(duì)鐵磁性自發(fā)磁化對(duì)鐵磁性自

2、發(fā)磁化進(jìn)行了詳細(xì)研究，故通稱進(jìn)行了詳細(xì)研究，故通稱Heisenberg交換作交換作用理論。該理論得到的定性結(jié)果與經(jīng)典理論相用理論。該理論得到的定性結(jié)果與經(jīng)典理論相同。同。沃納沃納卡爾卡爾海森堡（海森堡（1901年年12月月5日日1976年年2月月1日）日） 對(duì)于過(guò)渡族金屬，電子的3d狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配，并將引起能量的變化。 通過(guò)量子力學(xué)我們得到了一個(gè)能量交換公式。 式中，A為交換能積分常數(shù)；S1與S2分別是兩個(gè)電子的自旋動(dòng)量矩矢量，是兩個(gè)自旋動(dòng)量矩夾角，S是S1與S2的模，因?yàn)槭峭愲娮樱运麄兊哪Ｏ嗟?。cos22221ASSASEex

3、 在A0的情況下，當(dāng)cos=1時(shí)，Eex為最低值，即 =0，表明只有當(dāng)相鄰原子磁矩同向平行排列，才具備能量最低的條件。從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)磁化，產(chǎn)生鐵磁性。反之，在A0的情況下，則當(dāng)cos=-1時(shí)，Eex才為最低值，即 =，自旋磁矩反向排列時(shí)能量最低。cos22221ASSASEex 根據(jù)量子力學(xué)計(jì)算，交換能積分常數(shù)A不僅與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，而且強(qiáng)烈地依賴于原子之間的距離Rab，見(jiàn)圖4.6交換能積分常數(shù)A與原子間距的關(guān)系曲線。 根據(jù)量子力學(xué)的觀點(diǎn)：根據(jù)量子力學(xué)的觀點(diǎn)： 分子場(chǎng)分子場(chǎng)的本質(zhì)是原子中電子及相鄰原的本質(zhì)是原子中電子及相鄰原子之間電子的靜電交換作用。子之間電子的靜電交換作用。 這種靜電

4、交換作用和經(jīng)典的庫(kù)侖靜電這種靜電交換作用和經(jīng)典的庫(kù)侖靜電作用不同，作用不同，純屬量子效應(yīng)純屬量子效應(yīng)。由交換作用模型可以得出物質(zhì)鐵磁性的由交換作用模型可以得出物質(zhì)鐵磁性的條件。條件。1.1.物質(zhì)具有鐵磁性的必要條件是原子中具物質(zhì)具有鐵磁性的必要條件是原子中具有未充滿的電子殼層，即具有有未充滿的電子殼層，即具有原子磁矩原子磁矩；2.2.物質(zhì)具有鐵磁性的充要條件是物質(zhì)具有鐵磁性的充要條件是A0A0，A A為為相鄰原子間的交換積分。相鄰原子間的交換積分。 ，Heisenberg交換模型的作交換模型的作用用HeisenbergHeisenberg理論的不足之處：理論的不足之處：認(rèn)為每個(gè)原子中電子不可能從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到認(rèn)為每個(gè)原子中電子不可能從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去，電子是完全局域的，交換作用另一個(gè)原子上去，電子是完全局域的，交換作用是直接的。是直接的。假設(shè)狀態(tài)分布集中在能量重心，也不符合實(shí)際。假設(shè)狀態(tài)分布集中在能量重心，也不符合實(shí)際。 鐵磁體與反鐵磁性鐵磁體與反鐵磁性中都存在中都存在磁有序磁有序鐵磁體的磁結(jié)構(gòu)鐵磁體的磁結(jié)構(gòu)具有多樣性。具有多樣性。量子理論在說(shuō)明自發(fā)磁量子理論在說(shuō)明自發(fā)磁化時(shí)，相應(yīng)提出了不同化時(shí)，相應(yīng)提出了不同的交換作用模型的交換作用模型海森伯交換海森伯交換間接交換間接交換RKKYRKKY交換交換S-dS-d交換交換 所有量子力學(xué)理論在說(shuō)明磁有序問(wèn)題