Chuyên đề vật lý lượng tử NHỮNG NGUYÊN LÝ VẬT LÝ CỦA TỪ HỌC

Các quá trình vật lý của từ trường ở cấp độ nguyên tử được mô tả bởi sựchuyển động của điện tử quanh quỹ đạo và của spin điện tử “tự quay” - sau đó mởrộng ra cho nguyên tử và tinh thể kim loại, để giải thích vì sao có tính chất từ và tínhsắt từ của vật liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chuyên đề vật lý lượng tử " NHỮNG NGUYÊN LÝ VẬT LÝ CỦA TỪ HỌC " TRƯỜNG……………………… KHOA…………………… Chuyên đề vật lý lượng tử NHỮNG NGUYÊN LÝ VẬT LÝ CỦA TỪ HỌC Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 NHỮ NG NGUYÊN LÝ VẬT LÝ CỦA TỪ HỌC Các quá trình vật lý củ a từ trường ở cấp độ nguyên tử được mô tả bởi sựchuyển động củ a điện tử quanh qu ỹ đạo và của spin điện tử “tự quay” - sau đó m ởrộng ra cho nguyên tử và tinh thể kim loại, đ ể giải thích vì sao có tính chất từ và tínhsắt từ của vật liệu. 1. TỔNG QUAN Co, Ni, Fe là các ch ất sắt từ đ iển hình. Các chất này là các chất vốn có mômentừ nguyên tử lớn (ví dụ như sắt là 2,2 µB, Gd là 7 µB...) và nh ờ tương tác trao đổ i giữ acác mômen từ n ày, mà chúng định hư ớng song song với nhau theo từng vùng (gọi làcác đômen từ tính). Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từ độ tự phát - có nghĩa là cácchất sắt từ có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài. Đây là các nguồn gố ccơ bản tạo nên các tính chất của ch ất sắt từ. Tính ch ất từ ở cấp đ ộ nguyên tử có nguồn gốc từ sự chuyển động của điện tửtrên qu ỹ đạo quanh hạt nhân và chuyển động spin . Từ trường m ạnh được sinh ra từcác nguyên tố sắt từ (Co, Ni, Fe) chủ yếu bắt nguồn từ chuyển động spin. Những vậtliệu sắt từ này là nh ững tinh thể có cấu trúc lập phương (hoặc lụ c giác), lực tĩnh điệntạo sự sắp xếp các spin điện tử song song (hoặc đối song) của nh ững nguyên tử lâncận không phải toàn bộ tinh thể mà thành từng vùng, những vùng đó gọi là đômen từ,và do đó từ trư ờng tự động đạt bảo hòa và định hướng theo mộ t ho ặc mộ t số trong sáuchiều pháp tuyến của bề mặt khối lập phương. Tuy nhiên, quá trình hình thành từ tự phát trên không phải là nguyên nhân củ atính chất từ bên n goài (nam châm) củ a vật liệu sắt từ, nó còn ph ải thỏa mãn đ iều kiệnnăng lượng cực tiểu nữ a. Vì vậy, thay vì hình thành một nam châm lớn, thì ch ất sắt từtự từ hóa ở khắp nơi, tạo nên những vùng b ị từ hóa gọ i là đômen từ. Những đômen từnày đ ạt mức bão hòa, nó đ ịnh hướng theo những chiều khác nhau (sắp xếp hỗn loạn)vì vậy năng lượng từ triệt tiêu lẫn nhau và từ trường trong mạng tinh thể có th ể coicòn rất nhỏ , xem như bằng không. Những đômen từ này phân biệt nhau bởi nhữngvách mỏng (Bloch Walls) trong những đômen khác nhau th ì chiều của từ trường khácnhau . Những vách mỏng này đ ược hình thành khi năng lượng của từ trường không đủđể tách mộ t đômen thành hai đômen , lúc đó tính chất từ sẽ đạt trạng thái cân bằng . Khi vật liệu sắt đặt trong từ trường ngoài, quá trình quen thuộ c bao gồm sựdịch chuyển của các vách đômen, sự thay đổ i kích thước các đômen, vì thế các đômennày tự từ hóa và hướng theo chiều của từ trường ngoài và tăng lên theo từ trườngngoài, dần d ần giảm số vách mỏng cuối cùng là đ ạt bão hòa, vì vậy mà vật liệu từ trởthành giống như mộ t khối cầu lớn bị từ hóa hoàn toàn. Còn một số ít vách đômen m ấtđi và tạo thành các đômen qua lại nhưng ph ần lớn thì không. Khi ngắt từ trường ngoàihay khử từ theo chiều ngược lại, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, 1Tranvanthao1985@yahoo.comTrần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như ban đ ầu giống cácchất thu ận từ m à còn giữ được từ độ ở giá trị khác không. 2. TỪ TRƯỜ NG NGUYÊN TỬ Giả thiết củ a Ampe cho rằng các dòng điện di chuyển trong vật liệu từ cónguồn gố c và liên quan tới tính ch ất từ của vật liệu. 2.1. Những nguyên tử loạ i Hidro Theo lý thuyết Bohr, điện tử chuyển động quanh h ạt nhân với vận tố c cho b ởi mv 2 Ze2 , với F là lực l y tâm. Lực ly tâm cân bằng với lực hút tĩnh điện , cácF 4 0 r 2 r helectron qu ỹ đạo có moment động lượng là bội của , với h là hằng số Plank. Số Z 2bằng tổng số đ iện tử trong nguyên tử. Đối với nguyên tử hidro Z=1 như hình bêndướiXung lượng qu ỹ đạo h )  n.... (1) p1  mvr  n ( 2Vận tốc qu ỹ đ ạo Ze2 Zc vn   2 0 nh n 1371Và tần số tương ứng Z 2 e4 m Z2 v  3 ( 3 2 )  3 6. ...