[科普中国]-自旋磁矩

概念介绍

水和空气在稳定状态下，由于地磁场的同极磁化作用，分子的自旋磁矩不能够冲破首尾相连的分子链。稳定状态或直线运动状态一旦破坏，分子链荡然无存。

根据能量守恒与物质不灭原则，旋风和台风并不是无缘无故的正常维持，它即有内因又有外因，内因是斥磁性物质分子内部电子轨迹不闭合，近似的电流环每旋转一周，电流环近似平面与地磁场方向垂直一次，切割一次地磁场磁力线，产生分子的自旋磁矩，这即是分子的自旋电动势。外因是有初始旋转速度和初始能量，依靠分子的自旋电动势，切割磁力线，消耗磁场物质产生能量并输出能量，维持台风或旋风的正常旋转。

实际上，斥磁性物质就如同一台上满发条的摆钟，要想使其走动，只需轻轻一推，摆钟即可正常走动，超摆越大，直到幅度最大为止。有学者认为人造台风只需将旋转风的风力加强到十级或略高，即可自动加强到最大风力，形成台风。1

磁矩描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量。平面载流线圈的磁矩定义为m=iSn式中i电流强度；S为线圈面积；n为与电流方向成右手螺旋关系的单位矢量。在均匀外磁场中，平面载流线圈所受合力为零而所受力矩不为零，该力矩使线圈的磁矩m转向外磁场B的方向；在均匀径向分布外磁场中，平面载流线圈受力矩偏转。许多电机和电学仪表的工作原理即基于此。

定义在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子因自旋具有自旋磁矩；原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细结构，磁场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有复杂的结构。

分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋磁矩构成的(μ=μs+μl=gsps+glpl)，磁介质的磁化就是外磁场对分子磁矩作用的结果。

粒子的内禀属性。每种粒子都有确定的内禀磁矩。自旋为s的点粒子的磁矩μ由μ=g(e/2m)p给出，式中e和m分别是该粒子的电荷和质量，g是一个数值因子，p为自旋角动量。自旋为零的粒子磁矩为零。自旋为1/2的粒子，g=2；自旋为1的粒子，g=1；自旋为3/2的粒子，g=2/3。理论上普遍给出g=1/s。

粒子磁矩可通过实验测定。但实验测定结果并不与此相符，其间差别称为反常磁矩。对于自旋均为1/2的电子、μ子、质子和中子，精确测定其g因子分别为

电子 gl2=1.001159652193（10）

μ子 gl2=1.001165923（8）

质子 gl2=2.792847386（63）

中子 gl2=－1.91304275（45）

粒子反常磁矩的来源有二：一是量子电动力学的辐射修正，电子、μ子属于这种情形，即使是点粒子，粒子产生的电磁场对其自身的作用导致自旋磁矩的微小变化，这一改变可以严格地用量子电动力学精确计算，结果与实验测定符合得很好；另一是由于粒子有内部结构和强相互作用的影响，质子和中子属于这种情形，质子和中子的反常磁矩用于分析其内部结构。2

各类磁矩载流回路磁矩在一个载流回路中，磁矩大小是电流乘以回路面积：u=I*S；

其中，u为磁矩，I 为电流，S 为面积。

磁矩方向则为电流绕行方向右手定则所决定的方向。

载流回路在磁场中所受力矩M与磁矩的关系为：

M=u×B 其中，B 为磁感应强度。

基本粒子磁矩许多基本粒子(例如电子)都有内禀磁矩，这种磁矩和经典物理的磁矩不同，必须使用量子力学来解释它，和粒子的自旋有关。而这种内禀磁矩即是许多在宏观之下磁力的来源，许多的物理现象也和此有关。这些内禀磁矩是量子化的，也就是它有最小的基本单位，常常称为“磁子”(magneton)或磁元，例如电子自旋磁矩的矢量绝对值即和玻尔磁子成比例关系：

其中为电子自旋磁矩，电子自旋g因子gs是一项比例常数，为玻尔磁子，s为电子的自旋角动量。3