化學(xué)專業(yè)的磁學(xué)教學(xué)改革與探索

徐 娓, 田 戈

(吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院 無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點實驗室, 吉林 長春 130012)

磁學(xué)本身不是新的研究領(lǐng)域,自古就是物理學(xué)的一個主要分支。我國古代就對磁性材料進(jìn)行研究與應(yīng)用。隨著人們對磁學(xué)研究的深入,磁學(xué)理論不斷完善并逐漸從物理學(xué)科向其他學(xué)科滲透,如生命磁學(xué)[1]、環(huán)境磁學(xué)[2]、醫(yī)學(xué)磁學(xué)[3]、地球磁學(xué)[4]等一系列交叉學(xué)科,開拓出包羅萬象的科學(xué)生長點。早在20世紀(jì)初,磁學(xué)就進(jìn)入到化學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)時科學(xué)家意識到物質(zhì)的磁性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間存在著密不可分的關(guān)系,構(gòu)成物質(zhì)的原子內(nèi)部以及原子核自旋、電子圍繞原子旋轉(zhuǎn)都會產(chǎn)生磁場,因此所有物質(zhì)都存在磁現(xiàn)象?；瘜W(xué)的研究對象也是分子和原子,是在微觀層次上研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律,進(jìn)而創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)?；瘜W(xué)和磁學(xué)都以微觀物質(zhì)和微觀粒子為研究對象,因此，磁學(xué)與化學(xué)相互融合,形成一個新興的交叉科學(xué)——磁化學(xué)。

1 磁學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展

1977年諾貝爾物理獎得主約翰·哈斯布魯克·范弗累克(John Hasbrouch van Vleck)把物質(zhì)的磁學(xué)性質(zhì)與原子的結(jié)構(gòu)相聯(lián)系,通過量子力學(xué)對化學(xué)元素的單個原子的磁性進(jìn)行了精確的解釋,從而形成現(xiàn)代磁學(xué)。自此后,磁學(xué)與化學(xué)緊密結(jié)合在一起,形成了一個豐富多彩、引人入勝的研究領(lǐng)域——磁化學(xué)[5]。經(jīng)過化學(xué)家們數(shù)十年的努力,磁化學(xué)領(lǐng)域取得了豐厚的成果,逐步形成無機(jī)磁化學(xué)、有機(jī)磁化學(xué)、環(huán)境磁化學(xué)、高分子磁化學(xué)等多個子學(xué)科,促進(jìn)化學(xué)學(xué)科整體的發(fā)展。

2 磁學(xué)在化學(xué)專業(yè)教學(xué)中的現(xiàn)狀

我國的高校,本科生基本按照各自的或職業(yè)方向培養(yǎng),從而導(dǎo)致學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和知識視野比較狹窄,對其他專業(yè)的了解幾乎處于隔行如隔山的狀態(tài),很不利于學(xué)生對今后工作的適應(yīng)與發(fā)展。由于磁學(xué)是從物理學(xué)科滲透到化學(xué)專業(yè)中,受到專業(yè)的局限,雖然在20世紀(jì)八、九十年代時，已經(jīng)把磁學(xué)作為教學(xué)的一部分編入化學(xué)專業(yè)的教學(xué)大綱中,但常常把磁學(xué)和電學(xué)合并在一起，作為物理化學(xué)的一個小分支在教學(xué)中一帶而過,而且電磁學(xué)的教學(xué)偏重于物理,缺乏化學(xué)的相關(guān)知識和專業(yè)特色。因此,改革化學(xué)專業(yè)的磁學(xué)教學(xué),增加近年來的研究成果是非常必要的。

3 化學(xué)專業(yè)磁學(xué)授課內(nèi)容改革

首先,化學(xué)學(xué)科的發(fā)展需要保持活力和可持續(xù)性,其教學(xué)應(yīng)與時俱進(jìn),從知識結(jié)構(gòu)上增加科學(xué)研究前沿性理論。近年來,在材料科學(xué)及生命科學(xué)的推動下,以開殼層分子及開殼層分子聚集體的磁性質(zhì)為研究對象的分子磁學(xué),成為諸多學(xué)科的最為活躍的前沿研究領(lǐng)域之一[6]。因此將分子磁學(xué)理論編寫入化學(xué)專業(yè)的教學(xué)大綱,使化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在本科階段接觸到磁耦合、磁有序、磁馳豫等具有化學(xué)專業(yè)特色的新知識,開拓學(xué)生的視野。

其次,磁學(xué)離不開電學(xué)。電磁學(xué)一直作為物理化學(xué)課程的一部分,理論知識偏向物理學(xué)科。而近年來超導(dǎo)材料的合成與制備成為化學(xué)領(lǐng)域的熱點,保留電磁學(xué)知識也是有必要的,在課程體系上利用原有的電磁學(xué)經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生了解電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識,再深入淺出講授低溫電磁學(xué)的知識,特別是超導(dǎo)材料的特性、合成與制備、應(yīng)用與前景等與化學(xué)專業(yè)息息相關(guān)的理論知識,讓學(xué)生在本科階段接觸到學(xué)科國際前沿,對學(xué)生今后的工作或深造有著重要意義。

化學(xué)專業(yè)的磁學(xué)教學(xué)改革方案見圖1。

圖1 化學(xué)專業(yè)的磁學(xué)教學(xué)改革方案

4 磁學(xué)實驗課的教學(xué)內(nèi)容改革

實驗教學(xué)是深化知識和綜合能力的重要途徑,能更好地提高大學(xué)生的實驗設(shè)計和動手操作能力,培養(yǎng)全面發(fā)展、各方面更具競爭力的創(chuàng)新型人才。充分研討現(xiàn)有課程實驗體系后,將磁學(xué)性質(zhì)測量儀器、測試手段以及表征方法補(bǔ)充到實驗教學(xué)中,使化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在本科階段接觸先進(jìn)的實驗手段,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。磁學(xué)實驗教學(xué)的儀器要根據(jù)高校設(shè)備配置情況,將科研中使用的大型磁學(xué)測試設(shè)備的空余機(jī)時分配給教學(xué)，或制作簡單的教學(xué)測試儀,滿足本科生磁學(xué)實驗教學(xué)的需要。

4.1 磁學(xué)性質(zhì)測試

近10年來,磁學(xué)性質(zhì)測量方法廣泛應(yīng)用于化學(xué)專業(yè),隨著超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)在化學(xué)學(xué)科中推廣和使用,磁學(xué)性質(zhì)測量方法成為磁性材料性質(zhì)分析的重要手段。由于教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于科學(xué)研究,使得化學(xué)專業(yè)沒有開設(shè)相應(yīng)的磁學(xué)實驗課程,學(xué)生對磁學(xué)性質(zhì)測量以及分析方法等知識相對陌生。因此,有必要增加磁學(xué)性質(zhì)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(xué)生理解和掌握相關(guān)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(xué)性質(zhì)分析中應(yīng)用最廣的一種測試方法,通過凍結(jié)磁性分子前不施加外磁場(零場冷卻變溫測試ZFC)和凍結(jié)前施加外磁場(場冷卻變溫測試FC)的2組磁化率數(shù)據(jù)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)。

圖2 Masaaki Isobe等人制備的具有超導(dǎo)性質(zhì)的SrAuS3在0.46K～2K、10Oe磁場下ZFC和FC曲線

4.1.2 交流變溫磁化率測試

交流變溫磁化率測試常應(yīng)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(xiàn)出有規(guī)律的變化(見圖3)[8]。

圖3 金屬有機(jī)單離子磁體(Cp*)Er(COT)的變溫(2～30 K)和變頻(1～1 000 Hz)條件下的交流磁化率曲線

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(guī)律地變化外加磁場強(qiáng)度,測定磁性材料對外場磁場的感應(yīng)。對于強(qiáng)磁性材料——鐵磁和亞鐵磁其變場磁化率曲線會出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。通過對磁滯回線的分析,可得到磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等信息。

圖4 鐵磁性材料的磁滯回線

4.2 自制磁測量綜合教學(xué)實驗裝置

目前,磁學(xué)性質(zhì)測量最精準(zhǔn)的儀器是超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID),由于價格在300萬元以上,對于大多數(shù)高校來說,即使有條件購置此類大型設(shè)備也無法讓每個本科生上機(jī)操作。為滿足磁學(xué)教學(xué)的需要，可自制簡單的磁學(xué)測試裝置。1999年,華中理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)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(shù)高校的本科生實驗教學(xué)。

圖5 磁性測量綜合實驗裝置原理框圖

4.3 低溫電磁學(xué)測試實驗教學(xué)

經(jīng)典的電磁學(xué)課程講授的理論多為宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)的知識,實驗設(shè)備簡單易尋,因此實驗課也豐富多彩。但低溫設(shè)備非常昂貴,動輒上百萬,一般的高校很難為教學(xué)配備如此貴重的儀器。因此可以在常溫實驗設(shè)備，如電阻、霍爾效應(yīng)、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(jìn)行實驗教學(xué)。如條件允許,學(xué)校配有物理性質(zhì)測量系統(tǒng)(PPMS)[11]或帶有電學(xué)測試插桿的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)等大型低溫電磁學(xué)測試儀器,在條件允許的情況下可安排實驗教學(xué)演示實驗,培養(yǎng)學(xué)生對低溫電磁學(xué)的興趣,有利于學(xué)生在本科論文期間從事這方面的研究。

5 結(jié)語

針對近十幾年來的磁學(xué)與化學(xué)專業(yè)融合并迅猛發(fā)展的形勢,磁學(xué)課程的教學(xué)應(yīng)緊跟學(xué)科研究的步伐進(jìn)行改革和探索?；瘜W(xué)專業(yè)的磁學(xué)教學(xué)應(yīng)與時俱進(jìn),將近年來的科研成果引入教學(xué)大綱,緊跟化學(xué)學(xué)科研究的熱點和前沿生長點,努力使教學(xué)適應(yīng)社會和科學(xué)研究需求,為社會培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和綜合能力強(qiáng)的新型化學(xué)專業(yè)人才。

References)

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