引号里的是某百科解释的,我是感兴趣为什么产生磁,那看了这个解释,我具体再问问,到底是什么产生了磁性??


一个是电子的空间运动,也就是电流,导致了磁性。另一个是电子的内禀属性导致了磁性。


要解释磁性,首先要理解什么是磁矩。

环形电流、带电粒子的回旋运动都能产生磁矩,磁矩的大小定义为环形电流的强度乘以电流围成的面积,方向为该面积的法线方向。初中物理讲到电流可以产生磁场,小电流圈在远处产生的磁场正比于磁矩的大小,方向与磁矩方向相同,因此磁矩可以描述产生磁场的能力。

对于原子外围的一个电子,它由于某种回旋运动可以产生磁矩,沿某个方向。当许多这样的原子构成一块物质时,单位体积内的总磁矩决定了物质的磁性强弱。如果各个原子的磁矩方向无规则地排列,则总磁矩被抵消,表现为没有磁性。如果各个原子的磁矩方向大致指向同一个方向,则总磁矩表现为一个沿该方向的值,于是物质就有了磁性。

那么电子的磁矩怎么产生呢?量子力学告诉我们,由轨道角动量和自旋角动量都可以产生磁矩,并且自旋产生磁矩的能力是轨道角动量的两倍(狄拉克方程在非相对论情况下的效应)。令人惊讶的是,一些轨道的角动量为0(因此以回旋运动来理解轨道的概念并不准确)。在一个原子中有多个电子时,大部分电子的轨道角动量和自旋角动量分别都相互抵消了,只有外层(未满壳层)的未配对电子的自旋以及外层电子的轨道角动量能够产生不为0的磁矩。

不同原子的磁矩排列情况由它们之间的相互作用决定。如果没有相互作用,则磁矩无规则排列。对于铁磁性,相互作用使得磁矩倾向于平行排列(即指向相同的方向)。

下面讨论一种简单的情况:每个原子上的磁矩只由一个电子的自旋产生,自旋只有上和下两种取值。对于相邻两个原子上的电子,它们的自旋有平行和反平行两种排列方式。如果自旋平行,则它们的空间波函数交换反对称(泡利不相容原理),表现为相互分离,因而库伦斥力比较小,能量比较低;如果自旋平行,则它们的空间波函数交换对称,表现为相互靠近,因而库伦斥力比较大,能量比较高。因此,自旋倾向于平行排列,这使得体系的总能量更低。于是,在温度不太高的情况下,各个原子上的磁矩倾向于平行排列,产生铁磁性。当温度升高时,磁矩的无规则排列会使体系的熵增大,自由能降低,因而有可能失去铁磁性。
这种解释很形象,但是基本上是错的。原子由原子核和核外电子组成,电子、质子以及中子都有磁矩电子的质量比质子、中子小三个数量级,导致电子的磁矩反而大三个数量级,因此可以说原子的磁矩主要来自核外电子。电子的磁性主要来自「轨道」磁矩和「自旋」磁矩两种,其中轨道磁矩可以通过经典的电子绕原子核运动产生,而且这个磁矩是量子化的,即不是连续变化。「自旋」磁矩绝对不能理解为不停自转,而是一种量子效应,是粒子的本征属性。由于通常原子核外电子数目众多,对单一原子而言其总磁矩不能看作各个粒子的磁矩的简单加和,而是要通过某种机制进行「加和」,而且由于「轨道」和「自旋」之间也有某种耦合作用,导致讨论原子的磁矩变得更加复杂。当然,我说的都只是原子的磁矩,对于宏观物质,由于原子间磁矩相互作用、巡游电子等因素的存在,就更加复杂了。

这是一个基础的电磁学概念。通常在氢原子内我们把它归类为「spin-orbital coupling」. 简单来说就是电子围绕带正电的原子运动,可以相对地想成原子在绕电子运动(自行脑补你坐旋转木马的时候感觉木马机的中心那个柱子在绕著你转)。一个正电子绕著你运动,就是电流。

一个环形电流会在自己周围产生磁场,而对于处在环形电流中心的电子来说,因为它有自旋,这个自旋就会对磁场做出反应——具体的体现就是在薛定谔方程中的H算符就多了一个项:

H_{SO} = - mu B_{l}这个多出来的项会影响这个系统的能量,所以电子会趋于某个方向(自旋方向),当磁场大小变化的时候,这种趋向也会产生变化。这就是所谓的磁性。(想像平时说的磁性也是指的物体会对磁场产生反应)(具体可以参考Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic, Molecular and Quantum Physics, W. Demtroeder

或者搜索wikipedia: spin-orbit coupling)


动电生磁,动磁生电,这是我们对这个世界的假设。若要问为什么,就好像问「我从哪里来」一样。。。


变化的电场产生磁场。。
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