12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系在线视频

我们这一节讲

过渡金属元素3d壳层的电子结构

与其磁性的关系

首先我们来讲

3d壳层的电子结构

第二个问题讲

某些3d过渡族金属原子

及离子的电子排布及磁矩

然后我们再讲

它这个原子组成晶体以后

它为什么就有了铁磁性出来了

铁磁性它为什么出来的

就讲这个问题

我们看3d壳层的电子结构

这张表当中

就把一些个3d金属的壳层结构

给出了

这里边 钛 钒 铬 锰

铁 钴 镍 铜 锌这些

注意 我讲的是3d壳层的

我在讲元素周期表当中讲

什么叫过渡族元素

d电子层和3d电子层

没有排满的正元素

叫做过渡族元素

过渡族元素

那么这里边指的是

典型的过渡族元素

它3d电子没填满

注意我们考虑铁磁性

和亚铁磁性

一定是组成固体以后

才出现的这种磁性

单个的原子它不会有

你变成液体

溶液在溶液里边

它不会表现出铁磁性出来

它表现的铁磁性 亚铁磁性

一定变成固体以后

它是个固体的性质

那么固体的性质

首先它的必要条件是什么

你它的必要条件

首先这个原子本身

它有磁矩才行

你原子本身没有磁矩

你根本没有原子磁矩

它怎么会来的固体磁矩

它不可能

首先它有原子磁矩

这个原子磁矩我们知道

拿铁来讲

它的外层结构是什么

是3d6 4s2

就是s层电子有两个

d层电子有六个

那么组成固体以后

可以这样认为

外层的电子变化自由电子

这个自由电子应该讲

我可以粗略的讲

这个自由电子

对磁矩的贡献是比较小的

那么真正起作用的是什么

就是d电子层 d电子

那么d电子我们看

它有轨道磁矩

还有自旋磁矩

到底是轨道磁矩起作用

还是自旋磁矩起作用

我们看就是说你

我不是拿出来了

这个3d壳层的这些

这个过渡族金属了吗

过渡族金属我看一个原子

看一个原子

看一个原子

看它的电子排布

最外层电子

它变成自由电子

变成自由电子

粗略的讲对磁矩的贡献

应该说是比较小的

那么我们就看看d电子层了

那么d电子层的排列

我们知道前边讲过

有泡利不相溶原理

有能量最低原理

还有洪特准则

我们最关心的是洪特准则

洪特准则怎么讲的

就是在同一个亚壳层

也就是说那个

轨道量子数相同的时候

它电子排布的意思

它一定是自旋相同的

自旋相同的电子

要分属不同的轨道

自旋相同的电子

分属不同的轨道

你比方说

有两个这个d电子

这两个d电子

不是在同一个轨道上一正一反

它是在两个轨道当中

它俩平行

三个也是这样

四个也是这样

五个也是这样

那么到了六个

一正一反

下边有四个

像铁就是这样

它的这个六个电子的

有一个壳层当中

它是一正一反

它成闭壳层了

闭壳层没贡献了

那么还有四个电子

在分别占不同的轨道

要遵循洪特准则

洪特准则

洪特准则的同一个亚壳层当中

也是兼并的这个轨道当中

自旋相同的电子

要尽量分属不同的轨道

自旋相同的电子

要分属不同的轨道

这个原则是洪特原则

要遵循洪特原则

我再强调一遍

自旋相同的电子

要分属不同的轨道

那么好了

你们看看这个图当中

那么钛两个电子都冲上的

钒的三个电子自旋都冲上的

占据不同的轨道

铬四个电子

也是一二三四五 五个

那么锰也是五个

都分属不同的轨道 自旋相同

不是自旋相反占同一个轨道（的情况）

注意 洪特准则是这么说的

那么排列的这个情况我们看看

像铜 像锰

因为它这个电子

它外边有十个电子

这十个电子它是个闭壳层

这个闭壳层

一个轨道一正一反

一个轨道一正一反

一正一反 一正一反

所以它这个自旋电子

都是一正一反的

属于闭壳层

这里边不会在外边

显示出原子磁矩出来

因此像铜 锰它是什么

抗磁性的 抗磁性的

那么铁 钴 镍这三种

注意 铁 钴 镍这三种有

分别有这个四个电子

有三个电子 有两个电子

它的自旋方向不同

而且自旋是平行的

这为它产生原子磁矩

提供了必要的条件

提供了必要条件

那么有的同学讲了

你前边铬 钒 钛

它也是自旋不同 自旋不同

自旋相同电子分属不同的轨道

按说它们应该也是铁磁性的

那么为什么

铁 钴 镍是铁磁性的

而钒 铬 锰它是顺磁性

或者是反铁磁性的

把这个道理弄清楚了

就为什么 弄清楚了

这里边我还要顺便讲一句

那么这个材料

这个原子组成固体以后

因为原子的轨道磁矩

它可以互相可以共享

而且轨道磁矩

它有回游性

因此材料来讲

轨道电流它的磁矩

原子磁矩的贡献是非常小的

主要的贡献在它的自旋磁矩

所以原子磁性 这个固体

原子磁矩主要的

是由自旋磁矩所产生的

而不是轨道磁矩所产生的

我们就是分析一下

它这个自旋磁矩的情况

刚才我们讲了

如果它这个自旋排成闭壳层

一正一反 一正一反都占满了

这不可能有铁磁性材料出来

它只能是抗磁性的

那么铁 钴 镍我分析到了

它有一些个就是自旋平行的

自旋平行它是外层电子

这些外层电子

是产生铁磁性的必要条件

必要条件

那反过来讲了

锰 铬 钒 钛

这些它也有自旋磁矩

也是不成对的

它应该也会产生铁磁性

它为什么不产生铁磁性

这里边的道理

主要是在这个道理

我不是刚才讲了吗

这个磁性 产生磁性

它是个固体的特性

注意 它是个固体的特性

什么叫做固体的特性

就是不同的原子

要排在晶格当中

晶格有一定的尺寸

也就是说这些原子

有一定的间距

原子的间距跟原子的半径大小

就是说这个图当中

好 你们看 你们看

我们这里边

特别强调这个点阵常数

跟3d轨道直径二者之间的比值

注意

原子的平衡间距是a

3d轨道的直径是b

这两个之间的比值非常重要

a比b是某些3d过渡族元素的

平均原子间距

以其3d电子轨道直径之比

存在正交互作用能的元素

为铁磁性的

存在负交换作用能的元素

为反铁磁性的

就这句话非常重要

这句话非常重要

我们看底下这个图

表示原子间距

与海森伯格交换积分J

之间关系的这条曲线

这条曲线是什么意思

就是说纵坐标是交换积分

那么横坐标

是r{\fs10}ab{\r}减去2r

它的单位是I

纵轴表示从原子间距r{\fs10}ab{\r}

减去电子轨道大小2r的差

纵轴表示

从实际数据定性推断的

那个交换积分值

那个这个交换积分

有正负之分 有正负之分

这个正负决定于谁

就决定于r{\fs10}ab{\r}减去2r

有正负之分

我们看看交换积分是正的

是哪些 就是铁钴镍

交换积分是负的

是锰 是铬 是什么钒

是镍等等这些东西

这个交换积分

跟这个距离有关系

或者是简单的说

跟你这个组成固体以后

它这个点阵常数有关系

那么点阵常数不同的时候

就造成了这个交换积分

或者是正 或者是负

我们可以看到

凡是铁磁性材料

交换积分它是正的

凡是什么非铁磁性材料

它的交换积分是负的

那么交换积分

我们回头再看看

好了 按说起来

钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍

都是铁磁性的

它有这个必要条件

它外层轨道电子

它都是平行的

它是排成不同的轨道

按说它都是铁磁性的

但是组成固体以后

它的点阵常数和原子间距

决定了它相互作用的

这个交换积分是正的或者是负的

而造成了它的有一个交换作用能

这个交换作用能对铁钴镍来讲

它平行的时候它的能量是低的

而其它材料

它平行的时候能量是高的

它不可能平行

因此铁钴镍是铁磁性

好 这是我讲的这个问题

我总结一下上边的这个意思

是什么意思

就是说原子磁矩的根源

在于它的轨道磁矩

和自旋磁矩

但是组成固体以后

轨道磁矩它有一个

原子之间的共享

或者它有回游性

因此它对固体的磁矩

影响是很小的

真正起作用是自旋磁矩

那么要想自旋磁矩

有自旋磁矩

自旋磁矩产生作用

对原子磁矩产生作用

有一个必要条件是什么

就是说它外边的这个3d电子

它的自旋分属于不同的轨道

这是必要条件

再下一个层次就是说

即使分属于不同的轨道

从表面上看

对原子磁矩会有贡献了

但是它也不是充分的

充分的条件是什么

得它的交换积分是负的

交换积分是负的

意味着原子之间的

相互作用能是低的

平行排列的时候是低的

因此铁钴镍三者是铁磁性的

而钛钒铬锰要么是顺磁性的

要么是反铁磁性的

这是铁磁性的根源

一定要把它弄清楚

这几个层次弄清楚了

首先是自旋的

然后还要求交换积分

这个交换积分必须是什么

是正的

交换积分必须是正的

使它原子之间的交互作用能

磁交互作用能是最低的

平行排列是最低的

那么这就是铁磁性的根源

好 那么讲了铁磁性的根源

我们就看亚铁磁性它是怎么来的

亚铁磁性它到底是怎么来的