物质中的分子是一种复杂的电磁体系,在外加磁场的作用下,会发生磁化,从而表现出一些宏观性质,通过这些性质可以研究分子的微观结构。
1.磁化率
置于外磁场中的物质,在外磁场的作用下会感应出一个附加的磁场。
该物质的磁感应强度 等于外加磁场强度 与附加磁场强度 之和。
(1)
H′与H方向相同的叫顺磁性物质,相反的叫反磁性物质。还有一类物质如铁、钴、镍及其合金,H′比H大得多(H′/H)高达104,而且附加磁场在外磁场消失后并不立即消失,这类物质称为铁磁性物质。
物质的磁化可用磁化强度I来描述,H′=4πI。对于非铁磁性物质,I与外磁场强度H成正比 :
(2)
x为物质的单位体积磁化率,是单位体积内磁场强度的变化(简称磁化率),是物质的一种宏观磁性质。化学上常用单位质量磁化率Xm和摩尔磁化率XM 来表示。二者的定义是:
式中d是物质的密度,M为分子量。由于x是无量纲的量。故Xm 和 XM的单位分别为厘米3/克和厘米3/摩尔。
2.物质的磁性
物质的磁性可分为三种,即铁磁性,逆磁性和顺磁性。
(1)铁磁性
(2)逆磁性
(3)顺磁性
3. 分子磁矩与磁化率
(1)逆磁化率X0
(2)摩尔顺磁化率
(3) 物质的总磁化率
x M为物质的总磁化率。通常情况下摩尔顺磁化率 >>摩尔逆磁化率x 0,所以x 0可忽略不计,可得:
(7)
假定分子间无作用力,用统计力学的方法,摩尔顺磁化率和永久磁化率 之间的满足以下关系:
(8)
式中N 为阿伏伽德罗常数,K 为玻耳兹曼常数,T 绝对温度。
(9)
物质的永久磁矩与它所包含的未成对电子数n的关系可用下式表示
(10)
式中的 是玻尔磁子
其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。
4. 测量原理
本实验使用CTP-II型古埃磁天平(需自配分析天平),采用古埃天平法测定磁化率。在安装时需作些改装,将天平左边盘底托盘拆除,改装一根细铁丝。在铁丝中点系一根细的纤维线,线从天平左边托盘处孔口穿出,经下端连接一只和样品管口径相同的橡皮塞,以连接样品管用。测量时,将橡皮塞紧紧塞入样品管中,样品管将垂直悬挂于天平盘下。
磁场两极中心处的外磁场强度H可用已知磁化率的标准物质进行标定,常用的标准物质有莫尔氏盐(NH4)2SO4.FeSO4.6H2O,CuSO4.5H2O,HgCO(SCN)4 , NaCl.H2O,苯等。
本实验用 (NH4)2SO4.FeSO4.6H2O, 标定外磁场强度,测定FeSO4.7H2O和K4Fe(CN)6.3H2O的磁化率。(莫尔氏盐的单位质量磁化率为Xm = 厘米3/克)
5 . 不均匀磁场中物质的受力分析
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