化学专业的磁学教学改革与探索

徐 娓, 田 戈

(吉林大学 化学学院 无机合成与制备化学国家重点实验室, 吉林 长春 130012)

磁学本身不是新的研究领域,自古就是物理学的一个主要分支。我国古代就对磁性材料进行研究与应用。随着人们对磁学研究的深入,磁学理论不断完善并逐渐从物理学科向其他学科渗透,如生命磁学[1]、环境磁学[2]、医学磁学[3]、地球磁学[4]等一系列交叉学科,开拓出包罗万象的科学生长点。早在20世纪初,磁学就进入到化学领域。当时科学家意识到物质的磁性与物质结构之间存在着密不可分的关系,构成物质的原子内部以及原子核自旋、电子围绕原子旋转都会产生磁场,因此所有物质都存在磁现象。化学的研究对象也是分子和原子,是在微观层次上研究物质的组成、性质、结构与变化规律,进而创造新物质的科学。化学和磁学都以微观物质和微观粒子为研究对象,因此，磁学与化学相互融合,形成一个新兴的交叉科学——磁化学。

1 磁学在化学领域中的发展

1977年诺贝尔物理奖得主约翰·哈斯布鲁克·范弗累克(John Hasbrouch van Vleck)把物质的磁学性质与原子的结构相联系,通过量子力学对化学元素的单个原子的磁性进行了精确的解释,从而形成现代磁学。自此后,磁学与化学紧密结合在一起,形成了一个丰富多彩、引人入胜的研究领域——磁化学[5]。经过化学家们数十年的努力,磁化学领域取得了丰厚的成果,逐步形成无机磁化学、有机磁化学、环境磁化学、高分子磁化学等多个子学科,促进化学学科整体的发展。

2 磁学在化学专业教学中的现状

我国的高校,本科生基本按照各自的或职业方向培养,从而导致学生的知识结构和知识视野比较狭窄,对其他专业的了解几乎处于隔行如隔山的状态,很不利于学生对今后工作的适应与发展。由于磁学是从物理学科渗透到化学专业中,受到专业的局限,虽然在20世纪八、九十年代时，已经把磁学作为教学的一部分编入化学专业的教学大纲中,但常常把磁学和电学合并在一起，作为物理化学的一个小分支在教学中一带而过,而且电磁学的教学偏重于物理,缺乏化学的相关知识和专业特色。因此,改革化学专业的磁学教学,增加近年来的研究成果是非常必要的。

3 化学专业磁学授课内容改革

首先,化学学科的发展需要保持活力和可持续性,其教学应与时俱进,从知识结构上增加科学研究前沿性理论。近年来,在材料科学及生命科学的推动下,以开壳层分子及开壳层分子聚集体的磁性质为研究对象的分子磁学,成为诸多学科的最为活跃的前沿研究领域之一[6]。因此将分子磁学理论编写入化学专业的教学大纲,使化学专业的学生在本科阶段接触到磁耦合、磁有序、磁驰豫等具有化学专业特色的新知识,开拓学生的视野。

其次,磁学离不开电学。电磁学一直作为物理化学课程的一部分,理论知识偏向物理学科。而近年来超导材料的合成与制备成为化学领域的热点,保留电磁学知识也是有必要的,在课程体系上利用原有的电磁学经典教学内容,使学生了解电磁学的基础知识,再深入浅出讲授低温电磁学的知识,特别是超导材料的特性、合成与制备、应用与前景等与化学专业息息相关的理论知识,让学生在本科阶段接触到学科国际前沿,对学生今后的工作或深造有着重要意义。

化学专业的磁学教学改革方案见图1。

图1 化学专业的磁学教学改革方案

4 磁学实验课的教学内容改革

实验教学是深化知识和综合能力的重要途径,能更好地提高大学生的实验设计和动手操作能力,培养全面发展、各方面更具竞争力的创新型人才。充分研讨现有课程实验体系后,将磁学性质测量仪器、测试手段以及表征方法补充到实验教学中,使化学专业的学生在本科阶段接触先进的实验手段,培养学生的创新意识。磁学实验教学的仪器要根据高校设备配置情况,将科研中使用的大型磁学测试设备的空余机时分配给教学，或制作简单的教学测试仪,满足本科生磁学实验教学的需要。

4.1 磁学性质测试

近10年来,磁学性质测量方法广泛应用于化学专业,随着超导量子干涉仪(SQUID)在化学学科中推广和使用,磁学性质测量方法成为磁性材料性质分析的重要手段。由于教学远远落后于科学研究,使得化学专业没有开设相应的磁学实验课程,学生对磁学性质测量以及分析方法等知识相对陌生。因此,有必要增加磁学性质分析中常用的几种测试方法，如变温磁化率测试、磁滞回线测试等实验课程,帮助学生理解和掌握相关知识。

4.1.1 直流变温磁化率测试

直流变温磁化率测试(见图2)[7]是磁学性质分析中应用最广的一种测试方法,通过冻结磁性分子前不施加外磁场(零场冷却变温测试ZFC)和冻结前施加外磁场(场冷却变温测试FC)的2组磁化率数据的对比,判定磁性材料的磁性分类(铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性、抗磁性)。

图2 Masaaki Isobe等人制备的具有超导性质的SrAuS3在0.46K～2K、10Oe磁场下ZFC和FC曲线

4.1.2 交流变温磁化率测试

交流变温磁化率测试常应用于长程有序的磁性材料的分析。在变化温度的同时给磁性材料施加不同的频率。在同一测试温度和外加磁场条件下,长程有序的磁性材料的磁化率随交流频率的大小呈现出有规律的变化(见图3)[8]。

图3 金属有机单离子磁体(Cp*)Er(COT)的变温(2～30 K)和变频(1～1 000 Hz)条件下的交流磁化率曲线

4.1.3 磁滞回线测试

磁滞回线测试(见图4)[9]是在恒定温度的测试条件下有规律地变化外加磁场强度,测定磁性材料对外场磁场的感应。对于强磁性材料——铁磁和亚铁磁其变场磁化率曲线会出现磁滞现象。通过对磁滞回线的分析,可得到磁性材料的饱和磁化强度、矫顽力等信息。

图4 铁磁性材料的磁滞回线

4.2 自制磁测量综合教学实验装置

目前,磁学性质测量最精准的仪器是超导量子干涉仪(SQUID),由于价格在300万元以上,对于大多数高校来说,即使有条件购置此类大型设备也无法让每个本科生上机操作。为满足磁学教学的需要，可自制简单的磁学测试装置。1999年,华中理工大学电子科学与技术系的刘玳珩等人为94和95级本科生搭建的磁测量装置(见图5)[10],简单可行,比较适合大多数高校的本科生实验教学。

图5 磁性测量综合实验装置原理框图

4.3 低温电磁学测试实验教学

经典的电磁学课程讲授的理论多为宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的知识,实验设备简单易寻,因此实验课也丰富多彩。但低温设备非常昂贵,动辄上百万,一般的高校很难为教学配备如此贵重的仪器。因此可以在常温实验设备，如电阻、霍尔效应、I—V曲线等测试平台上加装液氮杜瓦等简单的低温装置,进行实验教学。如条件允许,学校配有物理性质测量系统(PPMS)[11]或带有电学测试插杆的超导量子干涉仪(SQUID)等大型低温电磁学测试仪器,在条件允许的情况下可安排实验教学演示实验,培养学生对低温电磁学的兴趣,有利于学生在本科论文期间从事这方面的研究。

5 结语

针对近十几年来的磁学与化学专业融合并迅猛发展的形势,磁学课程的教学应紧跟学科研究的步伐进行改革和探索。化学专业的磁学教学应与时俱进,将近年来的科研成果引入教学大纲,紧跟化学学科研究的热点和前沿生长点,努力使教学适应社会和科学研究需求,为社会培养具有创新思维和综合能力强的新型化学专业人才。

References)

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[4] 李国栋.2004—2005年磁学和磁性材料新进展[J].磁性材料及器件,2006,37(2):1-4.

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[7] Isobe M, Yoshida H, Kimoto K, et al. SrAuSi3:A Noncentrosymmetric Superconductor[J]. Chem Mater,2014,26:2155-2165.

[8] Jiang S D, Wang B W, Sun H L,et al.An Organometallic Single-Ion Magnet[J]. J Am Chem Soc,2011,133(13):4730-4733.

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[10] 刘玳珩,陈斌,刘峰.磁测量综合教学实验装置[J].实验技术与管理,1999,16(5):43-45.

[11] 王琴,诸跃进.物理性质测量系统的使用现状及解决办法[J].实验技术与管理,2017,34(1):254-256.