引號裏的是某百科解釋的,我是感興趣為什麼產生磁,那看了這個解釋,我具體再問問,到底是什麼產生了磁性??


一個是電子的空間運動,也就是電流,導致了磁性。另一個是電子的內稟屬性導致了磁性。


要解釋磁性,首先要理解什麼是磁矩。

環形電流、帶電粒子的迴旋運動都能產生磁矩,磁矩的大小定義為環形電流的強度乘以電流圍成的面積,方向為該面積的法線方向。初中物理講到電流可以產生磁場,小電流圈在遠處產生的磁場正比於磁矩的大小,方向與磁矩方向相同,因此磁矩可以描述產生磁場的能力。

對於原子外圍的一個電子,它由於某種迴旋運動可以產生磁矩,沿某個方向。當許多這樣的原子構成一塊物質時,單位體積內的總磁矩決定了物質的磁性強弱。如果各個原子的磁矩方向無規則地排列,則總磁矩被抵消,表現為沒有磁性。如果各個原子的磁矩方向大致指向同一個方向,則總磁矩表現為一個沿該方向的值,於是物質就有了磁性。

那麼電子的磁矩怎麼產生呢?量子力學告訴我們,由軌道角動量和自旋角動量都可以產生磁矩,並且自旋產生磁矩的能力是軌道角動量的兩倍(狄拉克方程在非相對論情況下的效應)。令人驚訝的是,一些軌道的角動量為0(因此以迴旋運動來理解軌道的概念並不準確)。在一個原子中有多個電子時,大部分電子的軌道角動量和自旋角動量分別都相互抵消了,只有外層(未滿殼層)的未配對電子的自旋以及外層電子的軌道角動量能夠產生不為0的磁矩。

不同原子的磁矩排列情況由它們之間的相互作用決定。如果沒有相互作用,則磁矩無規則排列。對於鐵磁性,相互作用使得磁矩傾向於平行排列(即指向相同的方向)。

下面討論一種簡單的情況:每個原子上的磁矩只由一個電子的自旋產生,自旋只有上和下兩種取值。對於相鄰兩個原子上的電子,它們的自旋有平行和反平行兩種排列方式。如果自旋平行,則它們的空間波函數交換反對稱(泡利不相容原理),表現為相互分離,因而庫倫斥力比較小,能量比較低;如果自旋平行,則它們的空間波函數交換對稱,表現為相互靠近,因而庫倫斥力比較大,能量比較高。因此,自旋傾向於平行排列,這使得體系的總能量更低。於是,在溫度不太高的情況下,各個原子上的磁矩傾向於平行排列,產生鐵磁性。當溫度升高時,磁矩的無規則排列會使體系的熵增大,自由能降低,因而有可能失去鐵磁性。
這種解釋很形象,但是基本上是錯的。原子由原子核和核外電子組成,電子、質子以及中子都有磁矩電子的質量比質子、中子小三個數量級,導致電子的磁矩反而大三個數量級,因此可以說原子的磁矩主要來自核外電子。電子的磁性主要來自「軌道」磁矩和「自旋」磁矩兩種,其中軌道磁矩可以通過經典的電子繞原子核運動產生,而且這個磁矩是量子化的,即不是連續變化。「自旋」磁矩絕對不能理解為不停自轉,而是一種量子效應,是粒子的本徵屬性。由於通常原子核外電子數目眾多,對單一原子而言其總磁矩不能看作各個粒子的磁矩的簡單加和,而是要通過某種機制進行「加和」,而且由於「軌道」和「自旋」之間也有某種耦合作用,導致討論原子的磁矩變得更加複雜。當然,我說的都只是原子的磁矩,對於宏觀物質,由於原子間磁矩相互作用、巡遊電子等因素的存在,就更加複雜了。

這是一個基礎的電磁學概念。通常在氫原子內我們把它歸類為「spin-orbital coupling」. 簡單來說就是電子圍繞帶正電的原子運動,可以相對地想成原子在繞電子運動(自行腦補你坐旋轉木馬的時候感覺木馬機的中心那個柱子在繞著你轉)。一個正電子繞著你運動,就是電流。

一個環形電流會在自己周圍產生磁場,而對於處在環形電流中心的電子來說,因為它有自旋,這個自旋就會對磁場做出反應——具體的體現就是在薛定諤方程中的H算符就多了一個項:

H_{SO} = - mu B_{l}這個多出來的項會影響這個系統的能量,所以電子會趨於某個方向(自旋方向),當磁場大小變化的時候,這種趨向也會產生變化。這就是所謂的磁性。(想像平時說的磁性也是指的物體會對磁場產生反應)(具體可以參考Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic, Molecular and Quantum Physics, W. Demtroeder

或者搜索wikipedia: spin-orbit coupling)


動電生磁,動磁生電,這是我們對這個世界的假設。若要問為什麼,就好像問「我從哪裡來」一樣。。。


變化的電場產生磁場。。
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