[科普中国]-磁各向异性基团

磁各向异性是指物质的磁性随方向而变的现象。主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性尤为突出，是铁磁体的基本磁性之一，表示饱和（或自发）磁化在不同晶体方向时自由能密度不同。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。

磁各向异性基团主要有苯环，双键，三键，单键等。

磁各向异性效应化学键尤其是π键 ，因电子的流动将产生一个小的诱导磁场，并通过空间影响到邻近的氢核。在电子云分布不是球形对称时，这种影响在化学键周围也是不对称的。有的地方与外加磁场方向一致，将使外加磁场强度增加，使该处氢核共振峰向低磁场方向移动（负屏蔽效应,deshielding effect） ，所以化学位移增大；有的地方则与外加磁场方向相反，将使外加磁场强度减弱，使该处氢核共振峰向高磁场方向移动（正屏蔽效应，shielding effect） ，所以化学位移减小，这种效应叫做磁的各向异性效应。磁各向异性效应与局部屏蔽效应不同的是，局部屏蔽效应是通过化学键起作用，而磁各向异性效应是通过空间起作用的。磁各向异性效应具有方向性，其大小和正负与距离和方向有关。1

磁各向异性基团主要种类苯环苯环有三个双键，六个π电子形成大π 键 ，在外磁场诱导下，很容易形成电子环流，产生感应磁场。在苯环中心，感应磁场的磁力线与外磁场的磁力线方向相反，使处于苯环中心的质子实受磁场强度降低，屏蔽效应增大，具有这种作用的空间称为正屏蔽区，以+表示。处于正屏蔽区的质子的化学位移值降低（峰右移）。在平行于苯环平面四周的空间，次级磁场的磁力线与外磁场一致，使得处于此空间的质子实受场强增加，这种作用称为顺磁屏蔽效应。相应的空间称为去屏蔽区或负屏蔽区，以－ 表示。苯环上氢的化学位移值为 7.27，就是因为这些氢处于去屏蔽区之故。同理可以解释十八碳环壬烯的环内氢处于强正屏蔽区，环外氢处于去屏蔽区，因此两者的化学位移值相差很大。在 正、负屏蔽区的交界处屏蔽作用等于零。

双键双键的π电子形成结面(nodal plane)，结面电子在外加磁场诱导下形成电子环流，从而产生感应磁场。双键上下为两个锥形的屏蔽区，双键平面上下方为正屏蔽区，平面周围则为负屏蔽区，烯烃氢核因正好处于负屏蔽区，故其共振峰移向低场化学位移值为 4.5 ~ 5.7。醛基氢核除与烯烃氢核相同位于双键的负屏蔽区，由于受相连氧原子强烈电负性的影响，故共振峰将移向更低场，化学位移值为 9.4 ~ 10。

叁键碳-碳叁键的π电子以键轴为中心呈对称分布（共四块电子云），在外磁场诱导下π电子可以形成绕键轴的电子环流，从而产生感应磁场。在键轴方向上下为正屏蔽区;与键轴垂直方向为负屏蔽区，与双键的磁各向异性的方向相差90°。炔氢有一定的酸性，可见其外围电子云密度较低，但它处于叁键的正屏蔽区，故其化学位移值反而小于烯氢（烯氢处于负屏蔽区）。例如，乙炔氢的化学位移值为 2.88，而乙烯氢为5.25。1

单键C一C 单键也有磁各向异性效应，但比电子环流引起的磁各向异性效应小得多。

C一C 单键产生一个锥形的磁各向异性效应，C －C 键是去屏蔽区的轴。1

知识扩展磁晶各向异性

磁体不同方向的磁性不同。如弱磁的抗磁、顺磁和反铁磁晶体的磁化率随晶体方向不同而异，强磁体饱和磁化在不同方向时自由能不同等。磁各向异性对强磁体的技术磁性有很大影响，因而是强磁物质的重要的基本磁性之一。

温度低于居里温度（见铁磁性）的铁磁体受外磁场作用时，单位体积物质达到磁饱和所需的能量称为磁晶能，由于晶体的各向异性，沿不同方向磁化所需的磁晶能不同。对每种铁磁体都存在一个所需磁晶能最小和最大的方向，前者称易磁化方向，后者称难磁化方向。铁磁体受外力作用时，由于磁弹性效应（见磁致伸缩），体内应力和应变的各向异性会导致磁各向异性。在外磁场或应力作用下的铁磁体进行冷、热加工处理时，均可产生感生磁各向异性。铁磁薄膜材料在一定外界条件影响下进行晶体生长时，也会引入生长磁各向异性。磁晶各向异性能Fk常表示为饱和磁化强度矢量Ms相对于主晶轴的夹角的三角函数的幂级数。其表式随晶体对称性而异。

磁晶各向异性能的微观机制主要有以下几种：①磁偶极相互作用。经典的磁偶极作用只对非立方晶体能引起各向异性。但常常不是主要的贡献。②各向异性交换作用。来自轨道－自旋作用对交换作用的影响。存在于某些稀土离子及低对称化合物中。③单离子各向异性。为晶体电场和轨道－自旋作用的联合效应。它使单个离子的能级呈现各向异性。对铁氧体和一些稀土离子，它的贡献是主要的。④巡游电子各向异性。来自轨道－自旋作用对能带的影响。适用于3d金属及合金。2

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学