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摘要:磁現象和磁性材料無處不在,正因如此,磁學從物理學科向其他學科不斷滲透.磁學與化學的結合開辟了諸如分子磁學、磁性材料的制備等具有化學特色的研究新方向.現代社會對于創新人才的需要提出了更高的要求,因此,化學專業應該與時俱進,將磁學研究的先進理論和磁性測試實驗添加到教學中,為社會培養全面的綜合型人才.
關鍵詞:磁性材料;分子磁學;學科交叉
磁學本身不是新的研究領域,自古就是物理學的一個主要分支.我國古代就對磁性材料進行研究與應用.隨著人們對磁學研究的深入,磁學理論不斷完善并逐漸從物理學科向其他學科滲透,如生命磁學[1]、環境磁學[2]、醫學磁學[3]、地球磁學[4]等一系列交叉學科,開拓出包羅萬象的科學生長點.早在20世紀初,磁學就進入到化學領域.當時科學家意識到物質的磁性與物質結構之間存在著密不可分的關系,構成物質的原子內部以及原子核自旋、電子圍繞原子旋轉都會產生磁場,因此所有物質都存在磁現象.化學的研究對象也是分子和原子,是在微觀層次上研究物質的組成、性質、結構與變化規律,進而創造新物質的科學.化學和磁學都以微觀物質和微觀粒子為研究對象,因此,磁學與化學相互融合,形成一個新興的交叉科學———磁化學.
1磁學在化學領域中的發展
1977年諾貝爾物理獎得主約翰哈斯布魯克范弗累克(JohnHasbrouchvanVeckl)把物質的磁學性質與原子的結構相聯系,通過量子力學對化學元素的單個原子的磁性進行了精確的解釋,從而形成現代磁學.自此后,磁學與化學緊密結合在一起,形成了一個豐富多彩、引人入勝的研究領域———磁化學[5].經過化學家們數十年的努力,磁化學領域取得了豐厚的成果,逐步形成無機磁化學、有機磁化學、環境磁化學、高分子磁化學等多個子學科,促進化學學科整體的發展.
2磁學在化學專業教學中的現狀
我國的高校,本科生基本按照各自的或職業方向培養,從而導致學生的知識結構和知識視野比較狹窄,對其他專業的了解幾乎處于隔行如隔山的狀態,很不利于學生對今后工作的適應與發展.由于磁學是從物理學科滲透到化學專業中,受到專業的局限,雖然在20世紀八、九十年代時,已經把磁學作為教學的一部分編入化學專業的教學大綱中,但常常把磁學和電學合并在一起,作為物理化學的一個小分支在教學中一帶而過,而且電磁學的教學偏重于物理,缺乏化學的相關知識和專業特色.因此,改革化學專業的磁學教學,增加近年來的研究成果是非常必要的.
3化學專業磁學授課內容改革
首先,化學學科的發展需要保持活力和可持續性,其教學應與時俱進,從知識結構上增加科學研究前沿性理論.近年來,在材料科學及生命科學的推動下,以開殼層分子及開殼層分子聚集體的磁性質為研究對象的分子磁學,成為諸多學科的最為活躍的前沿研究領域之一[6].因此將分子磁學理論編寫入化學專業的教學大綱,使化學專業的學生在本科階段接觸到磁耦合、磁有序、磁馳豫等具有化學專業特色的新知識,開拓學生的視野.其次,磁學離不開電學.電磁學一直作為物理化學課程的一部分,理論知識偏向物理學科.而近年來超導材料的合成與制備成為化學領域的熱點,保留電磁學知識也是有必要的,在課程體系上利用原有的電磁學經典教學內容,使學生了解電磁學的基礎知識,再深入淺出講授低溫電磁學的知識,特別是超導材料的特性、合成與制備、應用與前景等與化學專業息息相關的理論知識,讓學生在本科階段接觸到學科國際前沿,對學生今后的工作或深造有著重要意義.
4磁學實驗課的教學內容改革
實驗教學是深化知識和綜合能力的重要途徑,能更好地提高大學生的實驗設計和動手操作能力,培養全面發展、各方面更具競爭力的創新型人才.充分研討現有課程實驗體系后,將磁學性質測量儀器、測試手段以及表征方法補充到實驗教學中,使化學專業的學生在本科階段接觸先進的實驗手段,培養學生的創新意識.磁學實驗教學的儀器要根據高校設備配置情況,將科研中使用的大型磁學測試設備的空余機時分配給教學,或制作簡單的教學測試儀,滿足本科生磁學實驗教學的需要.
4．1磁學性質測試
近10年來,磁學性質測量方法廣泛應用于化學專業,隨著超導量子干涉儀(SQUID)在化學學科中推廣和使用,磁學性質測量方法成為磁性材料性質分析的重要手段.由于教學遠遠落后于科學研究,使得化學專業沒有開設相應的磁學實驗課程,學生對磁學性質測量以及分析方法等知識相對陌生.因此,有必要增加磁學性質分析中常用的幾種測試方法,如變溫磁化率測試、磁滯回線測試等實驗課程,幫助學生理解和掌握相關知識.
4．1．1直流變溫磁化率測試
直流變溫磁化率測試(見圖2)[7]是磁學性質分析中應用最廣的一種測試方法,通過凍結磁性分子前不施加外磁場(零場冷卻變溫測試ZFC)和凍結前施加外磁場(場冷卻變溫測試FC)的2組磁化率數據的對比,判定磁性材料的磁性分類(鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性、順磁性、抗磁性).
4．1．2交流變溫磁化率測試
交流變溫磁化率測試常應用于長程有序的磁性材料的分析.在變化溫度的同時給磁性材料施加不同的頻率.在同一測試溫度和外加磁場條件下,長程有序的磁性材料的磁化率隨交流頻率的大小呈現出有規律
4．1．3磁滯回線測試
磁滯回線測試(見圖4)[9]是在恒定溫度的測試條件下有規律地變化外加磁場強度,測定磁性材料對外場磁場的感應.對于強磁性材料———鐵磁和亞鐵磁其變場磁化率曲線會出現磁滯現象.通過對磁滯回線的分析,可得到磁性材料的飽和磁化強度、矯頑力等信息。
4．2自制磁測量綜合教學實驗裝置
目前,磁學性質測量最精準的儀器是超導量子干涉儀(SQUID),由于價格在300萬元以上,對于大多數高校來說,即使有條件購置此類大型設備也無法讓每個本科生上機操作.為滿足磁學教學的需要,可自制簡單的磁學測試裝置.1999年,華中理工大學電子科學與技術系的劉玳珩等人為94和95級本科生搭建的磁測量裝置(見圖5)[10],簡單可行,比較適合大多數高校的本科生實驗教學。
4．3低溫電磁學測試實驗教學
經典的電磁學課程講授的理論多為宏觀電磁現象和客觀物體的電磁性質的知識,實驗設備簡單易尋,因此實驗課也豐富多彩.但低溫設備非常昂貴,動輒上百萬,一般的高校很難為教學配備如此貴重的儀器.因此可以在常溫實驗設備,如電阻、霍爾效應、I—V曲線等測試平臺上加裝液氮杜瓦等簡單的低溫裝置,進行實驗教學.如條件允許,學校配有物理性質測量系統(PPMS)[11]或帶有電學測試插桿的超導量子干涉儀(SQUID)等大型低溫電磁學測試儀器,在條件允許的情況下可安排實驗教學演示實驗,培養學生對低溫電磁學的興趣,有利于學生在本科論文期間從事這方面的研究.
5結語
針對近十幾年來的磁學與化學專業融合并迅猛發展的形勢,磁學課程的教學應緊跟學科研究的步伐進行改革和探索.化學專業的磁學教學應與時俱進,將近年來的科研成果引入教學大綱,緊跟化學學科研究的熱點和前沿生長點,努力使教學適應社會和科學研究需求,為社會培養具有創新思維和綜合能力強的新型化學專業人才.
參考文獻(References)
[1]吳本玠．生物磁學與生物電磁學[J]．科技導報,1992,10(2):23G26．
[2]彭杰．磁化率等環境磁學及應用介紹[J]．中山大學研究生學刊(自然科學與醫學版),2015(4):1G6．
[3]呂柄江,趙小杰,姚力,等．實時功能磁共振成像及其應用[J]．科學通報,2014,59(2):195G209．
[4]李國棟．2004—2005年磁學和磁性材料新進展[J]．磁性材料及器件,2006,37(2):1G4．
[5]宋廣利,趙繼軍．現代磁學奠基人:約翰范弗累克[J]．大學物理,2007,26(10):47G51.
作者:徐娓 田戈 單位:吉林大學
