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磁各向異性
鎖定
磁各向異性定義
化學鍵尤其是π鍵 ,因電子的流動將產生一個小的誘導磁場,並通過空間影響到鄰近的氫核。在電子雲分佈不是球形對稱時,這種影響在化學鍵周圍也是不對稱的。有的地方與外加磁場方向一致,將使外加磁場強度增加,使該處氫核共振峯向低磁場方向移動(負屏蔽效應,deshielding effect) ,所以化學位移增大;有的地方則與外加磁場方向相反,將使外加磁場強度減弱,使該處氫核共振峯向高磁場方向移動(正屏蔽效應,shielding effect) ,所以化學位移減小,這種效應叫做磁的各向異性效應。
磁各向異性化學鍵
磁各向異性苯環
苯環有三個雙鍵,六 個π電子形成大π 鍵 ,在外磁場誘導下,很容易形成電子環流,產生感應磁場,其屏蔽情況。在苯環中心,感應磁場的磁力線與外磁場的磁力線方向相反,使處於苯環中心的質子實受磁場強度降低,屏蔽效應增大,具有這種作用的空間稱為正屏蔽區,以+表示。處於正屏蔽區的質子的化學位移值降低(峯右移)。在平行於苯環平面四周的空間,次級磁場的磁力線與外磁場一致,使得處於此空間的質子實受場強增加,這種作用稱為順磁屏蔽效應。相應的空間稱為去屏蔽區或負屏蔽區,以- 表示。苯環上氫的化學位移值為 7.27,就是因為這些氫處於去屏蔽區之故。同理可以解釋十八碳環壬烯的環內氫處於強正屏蔽區,環外氫處於去屏蔽區,因此兩者的化學位移值相差很大。在 正、負屏蔽區的交界處屏蔽作用等於零。
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磁各向異性雙鍵
雙鍵的π電子形成結面(nodal plane),結面電子在外加磁場誘導下形成電子環流,從而產生感應磁場。雙鍵上下為兩個錐形的屏蔽區,雙鍵平面上下方為正屏蔽區,平面周圍則為負屏蔽區如圖1(14-9),烯烴氫核因正好處於負屏蔽區,故其共振峯移向低場化學位移值為 4.5 ~ 5.7。
磁各向異性叁鍵
碳-碳叁鍵的π電子以鍵軸為中心呈對稱分佈(共四塊電子雲),在外磁場誘導下π電子可以形成繞鍵軸的電子環流,從而產生感應磁場。在鍵軸方向上下為正屏蔽區;與鍵軸垂直方向為負屏蔽區如圖1(14-10),與雙鍵的磁各向異性的方向相差90°。炔氫有一定的酸性,可見其外圍電子雲密度較低,但它處於叁鍵的正屏蔽區,故其化學位移值反而小於烯氫(烯氫處於負屏蔽區)。例如,乙炔氫的化學位移值為 2.88,而乙烯氫為5. 25。
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磁各向異性單鍵
C一C 單鍵也有磁各向異性效應,但比電子環流引起的磁各向異性效應小得多。
C一C 鍵的兩個碳原子上的氫都受這個C- C 單鍵的去屏蔽效應。在椅式構象的環己烷系統中,直立鍵上的氫處於屏蔽區,平伏鍵上的氫處於去屏蔽區。所以,直立鍵上的氫比平伏鍵上的氫受屏蔽作用大,化學位移值較小,兩者化學位移值的差別一般在0.2 〜0.5 之間。但在室温下,因構象式之間的快速翻轉平衡,所以只給出一個尖鋭的單峯。
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磁各向異性磁晶
温度低於居里温度(見鐵磁性)的鐵磁體受外磁場作用時,單位體積物質達到磁飽和所需的能量稱為磁晶能,由於晶體的各向異性,沿不同方向磁化所需的磁晶能不同。對每種鐵磁體都存在一個所需磁晶能最小和最大的方向,前者稱易磁化方向,後者稱難磁化方向。鐵磁體受外力作用時,由於磁彈性效應(見磁致伸縮),體內應力和應變的各向異性會導致磁各向異性。在外磁場或應力作用下的鐵磁體進行冷、熱加工處理時,均可產生感生磁各向異性。鐵磁薄膜材料在一定外界條件影響下進行晶體生長時,也會引入生長磁各向異性。磁晶各向異性能Fk常表示為飽和磁化強度矢量Ms相對於主晶軸的夾角的三角函數的冪級數。其表式隨晶體對稱性而異。
磁晶各向異性能的微觀機制主要有以下幾種:①磁偶極相互作用。經典的磁偶極作用只對非立方晶體能引起各向異性。但常常不是主要的貢獻。②各向異性交換作用。來自軌道-自旋作用對交換作用的影響。存在於某些稀土離子及低對稱化合物中。③單離子各向異性。為晶體電場和軌道-自旋作用的聯合效應。它使單個離子的能級呈現各向異性。對鐵氧體和一些稀土離子,它的貢獻是主要的。④巡遊電子各向異性。來自軌道-自旋作用對能帶的影響。適用於3d金屬及合金。
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磁各向異性磁應力
磁各向異性磁形狀
感生磁各向異性 為某些材料經過某種處理後出現的附加的磁各向異性。這類處理有:磁場作用下的熱處理、應力作用下的熱處理及冷軋等。有磁場熱處理感生各向異性的材料,在無磁場作用下退火時,在磁疇及疇壁中獲得自發磁化條件下的感生各向異性。某些薄膜材料在磁場下生長,或由於某種條件生長,均可獲得生長感生各向異性。對金屬及合金的感生各向異性,原子對的有序排列(方向有序)的理論給出了合理的解釋。鐵氧體的感生各向異性則可用單離子理論(各向異性離子的有序分佈)來表達解釋。
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