物质顺磁性和抗磁性的产生原因

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1、顺 磁 性 和 抗 磁 性 的 原 因 磁 性 是 物 质 的 一 种 基 本 属 性 。物 质 按 照 其 内 部 结 构 及 其 在 外 磁 场 中 的性 状 可 分 为 抗 磁 性 、顺 磁 性 、铁 磁 性 、反 铁 磁 性 和 亚 铁 磁 性 物 质 。铁 磁 性 和亚 铁 磁 性 物 质 为 强 磁 性 物 质 ，抗 磁 性 和 顺 磁 性 物 质 为 弱 磁 性 物 质 （ 参 考文 献 1 ） 。从 上 面 的 介 绍 看 出 ， 任 何 物 质 都 会 显 示 磁 性 ， 并 且 物 质 从 顺 磁 性 到 反 磁性 、 磁 性 从 强 到 弱 是 逐 渐 变 化 的 ， 没

2、 有 一 个 明 显 的 界 限 。 物 质 的 磁 性 到 底 是怎 么 产 生 的 ， 本 文 就 此 观 点 提 出 我 自 己 的 看 法 。一 、 现 在 的 理 论 给 人 们 带 来 的 疑 惑1、 顺 磁 性 ： 现 在 人 们 认 为 ， 电 子 磁 矩 由 电 子 的 轨 道 磁 矩 和 自 旋 磁 矩组 成 。在 晶 体 中 ，电 子 的 轨 道 磁 矩 受 晶 格 的 作 用 ，其 方 向 是 变 化 的 ，不 能 形成 一 个 联 合 磁 矩 ，对 外 没 有 磁 性 作 用 。因 此 ，物 质 的 磁 性 不 是 由 电 子 的 轨道 磁 矩 引 起 ，而 是 主

3、要 由 自 旋 磁 矩 引 起 。每 个 电 子 自 旋 磁 矩 的 近 似 值 等 于一 个 波 尔 磁 子 。 是 原 子 磁 矩 的 单 位 。因 为 原 子 核 比 电 子 重 2000 倍 左 右 ，其 运 动 速 度 仅 为 电 子 速 度 的 几 千 分 之 一 ，故 原 子 核 的 磁 矩 仅 为 电 子 的 千 分之 几 ，可 以 忽 略 不 计 。 （ 参 考 文 献 2 ）我 认 为 上 面 这 段 论 述 是 不 合 理 的 ， 我 们 都 知 道 ， 原 子 是 由 原 子 核 和 核 外电 子 组 成 ， 原 子 核 又 是 由 质 子 和 中 子 组 成 ， 原

4、子 核 的 体 积 约 为 原 子 体 积的 几 千 万 亿 分 之 一 ,(半 径 约 为 原 子 的 十 万 分 之 一 ).打 个 比 方 ,原 子 相 当 于足 球 场 那 么 大 ,而 原 子 核 则 只 有 一 只 蚂 蚁 那 么 大 。（参 考 文 献 3）。电 子 的 质量 约 为 质 子 质 量 的 1/1836 （ 参 考 文 献 4 ） 。 中 子 能 够 通 过 衰 变 过程 变 成 质 子 、电 子 和 反 中 微 子 ， （ 参 考 文 献 5 ） 。 从 这 些 论 述 可 想 而 知 ，电 子 的 体 积 会 有 多 大 ， 电 子 的 体 积 不 会 超 过

5、质 子 和 中 子 体 积 的 千 分 子 一 。 即从 电 子 的 角 度 来 看 原 子 ， 原 子 就 象 是 一 个 非 常 巨 大 的 宇 宙 一 样 。 由 于 电 子的 体 积 很 小 很 小 ， 即 使 电 子 自 旋 产 生 的 磁 场 较 强 ， 它 影 响 的 范 围 必 然 很 小 很小 ， 不 可 能 影 响 到 原 子 以 外 ， 因 此 电 子 自 旋 产 生 的 磁 场 在 宏 观 上 是 显 示 不 出来 的 ， 如 果 能 显 示 出 来 ， 电 子 产 生 的 磁 场 就 强 大 的 无 法 想 象 了 。上 面 还 提 到 原 子 核 的 磁 矩 很 小

6、 ， 可 以 忽 略 ， 这 个 观 点 我 觉 得 也 是 错 误 的 ，人 们 现 在 只 是 从 质 量 上 去 考 虑 对 磁 矩 的 影 响 ， 而 把 其 它 因 素 忽 略 了 ， 比 方 说原 子 核 的 体 积 。 我 们 知 道 质 子 的 质 量 是 电 子 的 1836 倍 ， 质 子 的 结 构 中 心又 是 空 的 ， 如 图 1。 （ 参 看 文 献 6 ） 。不 仅 质 子 的 结 构 是 空 心 的 ， 中 子 和 质 子 一 样 ， 也 是 空 心 的 ， 而 且 由 质 子和 中 子 构 成 的 原 子 核 的 结 构 又 是 空 心 的 ， 如 图 2。

7、 （ 参 考 文 献 7 ） 。即 原 子 的 组 成 与 结 构 如 图 3。从 上 面 的 示 意 图 中 看 出 ， 原 子 核 的 体 积 比 电 子 的 体 积 不 知 要 大 多 少 倍 。体 积 越 大 ， 产 生 的 磁 场 对 外 影 响 的 范 围 必 然 越 远 ， 因 此 其 实 原 子 核 具 有很 强 的 磁 场 （ 参 考 文 献 8） 。从 上 面 的 分 析 看 出 ， 物 质 的 顺 磁 性 不 可 能 是 由 电 子 的 自 旋 引 起 的 ， 根据 我 的 研 究 结 果 表 明 ， 恰 恰 是 由 原 子 核 产 生 的 磁 场 引 起 的 。2、 抗

8、 磁 性 ： 现 在 人 们 认 为 ， 当 磁 化 强 度 M 为 负 时 ，固 体 表 现 为 抗磁 性 。Bi、 Cu、Ag、Au 等 金 属 具 有 这 种 性 质 。在 外 磁 场 中 ，这 类 磁 化 了 的介 质 内 部 的 磁 感 应 强 度 小 于 真 空 中 的 磁 感 应 强 度 M。抗 磁 性 物 质 的 原 子（离 子 ）的 磁 矩 应 为 零 ，即 不 存 在 永 久 磁 矩 。当 抗 磁 性 物 质 放 入 外 磁 场 中 ，外 磁 场 使 电 子 轨 道 改 变 ，感 生 一 个 与 外 磁 场 方 向 相 反 的 磁 矩 ，表 现 为 抗 磁性 。所 以 抗

9、磁 性 来 源 于 原 子 中 电 子 轨 道 状 态 的 变 化 。抗 磁 性 物 质 的 抗 磁 性一 般 很 微 弱 ，磁 化 率 H 一 般 约 为 -10-5，为 负 值 。 （ 参 考 文 献 9 ）上 面 说 到 ， “外 磁 场 使 电 子 轨 道 改 变 ， 感 生 一 个 与 外 磁 场 方 向 相 反 的 磁 矩 ，表 现 为 抗 磁 性 。 ”这 个 观 点 与 我 的 观 点 相 同 ， 但 是 抵 抗 磁 场 必 然 会 使 内 部 能量 升 高 ， 这 并 不 符 合 普 遍 适 应 的 能 量 最 低 原 理 ， 电 子 轨 道 为 什 么 不 调 节 成 顺磁

10、 性 使 其 能 量 降 低 而 要 调 节 成 与 自 身 不 利 的 抗 磁 性 使 其 能 量 升 高 ？ 我 们 必 须回 答 出 这 个 问 题 才 有 说 服 力 。也 许 你 会 说 这 是 因 为 抗 磁 性 的 基 本 来 源 是 电 磁 感 应 。电 磁 感 应 是 法拉 第 的 重 大 发 现 ：围 绕 着 随 时 间 变 化 着 的 磁 通 量 ，有 感 应 电 动 势 (或 即 电 场 )产生 ，故 能 在 导 线 电 路 中 产 生 电 流 或 在 大 块 导 体 中 产 生 涡 流 。这 里 感 应 电 流所 产 生 的 磁 场 对 感 应 起 它 们 的 磁 场

11、 变 化 起 着 反 抗 作 用 ，这 就 是 楞 次 定 律 。 （ 参 考 文 献 10） 。这 听 起 来 让 人 感 觉 是 对 的 ， 可 我 们 细 想 一 下 ， 产 生 的 感 应 电 流 怎 么 就 不会 消 失 ， 物 质 是 有 电 阻 的 ， 即 使 开 始 时 产 生 了 感 应 电 流 ， 在 电 阻 的 作 用 下 ，电 流 也 会 很 快 就 消 失 了 ， 可 物 质 的 抗 磁 性 是 一 直 存 在 的 ， 并 不 会 因 时 间 的 推移 而 减 弱 ， 甚 至 消 失 ， 所 以 说 外 磁 场 对 原 子 或 分 子 产 生 感 应 电 动 势 的

12、说 法 是讲 不 通 的 。从 上 面 的 分 析 看 出 ， 物 质 的 抗 磁 性 并 不 是 原 子 或 分 子 产 生 感 应 电 动 势 产生 的 。 它 的 确 是 由 电 子 轨 道 改 变 引 起 的 。 下 面 我 就 讲 述 物 质 磁 性 的 本 质 。二 、 物 质 磁 性 的 本 质既 然 物 质 的 顺 磁 性 并 不 是 电 子 自 旋 产 生 的 ， 既 然 物 质 的 抗 磁 性 并 不 是 外磁 场 对 原 子 或 分 子 产 生 感 应 电 动 势 产 生 的 ， 那 么 物 质 的 顺 磁 性 和 抗 磁 性 到 底是 怎 么 产 生 的 。电 子 受

13、的 络 仑 兹 力 总 是 向 外 的 ，那 么 同 一 电 子 轨 道 中 两 个 电 子 的 运 动方 向 必 须 相 同 ，并 且 同 一 原 子 中 所 有 电 子 的 运 动 方 向 也 基 本 上 是 相 同 的 ，如 图 4 所 示 。任 何 一 个 电 子 的 运 动 方 向 与 s 轨 道 上 电 子 的 运 动 方 向 之 间 的 夹 角 不可 能 超 过 90，也 就 是 说 同 一 原 子 中 所 有 的 电 子 绝 不 可 能 出 现 反 向 运 动 的情 况 ，这 样 就 避 免 了 电 子 之 间 的 碰 撞 ，为 了 使 电 子 之 间 不 发 生 碰 撞 和

14、电 子之 间 的 距 离 最 远 ，在 同 一 轨 道 上 两 个 电 子 的 运 动 方 向 不 仅 要 相 同 ，它 们 的运 动 速 度 也 要 相 同 ，而 且 同 一 主 层 中 所 有 电 子 运 动 的 角 速 度 也 必 须 相 同 ，甚 至 同 一 原 子 中 所 有 电 子 运 动 的 角 速 度 也 相 同 。 （ 参 考 文 献 11 ）从 上 面 的 论 述 看 出 ， 当 原 子 核 的 磁 极 固 定 后 ， 电 子 的 轨 道 就 基 本 固 定 了 ，那 么 电 子 轨 道 产 生 的 磁 极 也 就 基 本 固 定 了 。 电 子 轨 道 产 生 的 磁 极

15、 与 原 子 核 产生 的 磁 极 正 好 相 反 ， 那 么 一 个 显 示 顺 磁 性 ， 另 一 个 必 然 显 示 抗 磁 性 。 如 图 5。 （ 参 考 文 献 12）在 外 界 磁 场 的 作 用 下 ， 主 要 会 对 原 子 核 的 磁 场 产 生 作 用 ， 因 为 在 磁 极 上原 子 核 产 生 的 磁 场 比 电 子 绕 核 运 动 产 生 的 磁 场 强 ， 原 子 核 有 旋 转 的 趋 向 ， 使得 物 质 显 示 顺 磁 性 。原 子 核 的 磁 极 方 向 作 了 改 变 后 ， 必 然 会 引 起 电 子 轨 道 方 向 的 改 变 ， 这 又使 得 物

16、质 显 示 抗 磁 性 。 但 是 一 般 情 况 下 电 子 轨 道 的 改 变 不 会 很 大 ， 因 为 电 子轨 道 与 周 围 的 其 它 原 子 的 电 子 轨 道 相 互 作 用 ， 受 着 周 围 其 它 电 子 轨 道 的 牵 制 ，不 易 发 生 旋 转 ， 所 以 电 子 轨 道 的 改 变 一 般 很 小 ， 并 且 原 子 核 和 核 外 电 子 也 是相 互 作 用 着 ， 由 于 受 电 子 轨 道 的 牵 制 ， 原 子 核 也 不 会 发 生 很 大 的 旋 转 。由 于 外 磁 场 对 原 子 核 磁 场 方 向 的 改 变 ， 使 得 物 质 显 示 顺 磁 性 ， 原 子 核 磁场 方 向 的 改 变 又 引 起 电 子 轨 道 方 向 的 改 变 ， 这 又 使 得 物 质 显 示 抗 磁 性 ， 如 果原 子 核 磁 场 方 向 的 改 变 引 起 的 磁 场 变 化 大 于 电 子 轨 道 改 变 引 起 的 磁 场 变 化