[科普中国]-分子固有磁矩-

概念

一个分子中的电子的轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产生的自旋磁矩的总和就构成分子的分子磁矩，或者分子固有磁矩。顺磁质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，它的电子角动量总和不等于零，分子磁矩μm≠0，即固有磁矩不为零。抗磁质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子磁矩，μm=0，固有磁矩为零。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。

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。

自旋磁矩自旋是基本粒子或原子核的固有角动量，它与轨道角动量不同，即使粒子处于静止时也存在。任何粒子的自旋在空间中的方向也不是任意的，它在空间一个确定方向(如磁场方向)上的投影，必须是h/2π(h为普朗克常数)的整数或半整数倍。2

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。

顺磁质磁化后在其中产生的附加磁场与外磁场方向相同的物质。顺磁质即顺磁性物质。其磁化率xm为正值(即χm>0)，在外磁场中它呈现弱磁性，是弱磁质。一般χm在10-4数量级。这种物质在不均匀磁场中会受到磁力的作用，使其向磁场较强的方向运动，所以法拉第称它为顺磁性物质。用细长螺线管端部磁场的不均匀性即可检验物质受力的大小及方向。从物质磁化率的特性可以定义Xm>0的物质为顺磁质。从受力的角度则可以定义在不均匀磁场中受力方向与磁场较强的方向一致的物质为顺磁质。这两种定义是等价的。从原子结构看，组成顺磁质的原子、分子具有未被电子填满的空壳层，即具有固有磁矩Pm≠0，pm为分子磁矩(分子电流磁矩)。在没有外磁场的情况下，由于热运动分子磁矩取向是无规则的，故总体不显磁性。在外磁场作用下，使磁矩在一定程度上转向磁场方向，从而使总体显出磁性。若外加磁场用B0表示，顺磁质在外磁场中由于磁化产生的附加磁场用B′表示。顺磁质中的B′与B0同向，B0愈大B′愈大，直至达到饱和值。顺磁质磁化后总磁场用B表示，B=B0+B′。当顺磁质充满磁场时，各点的磁场B为真空时磁场B0的μr倍，μr是相对磁导率，而顺磁质的μr是大于1的，所以磁场B比真空时增大了。常见的顺磁质有氧、空气、一氧化氮、钨、钠、铝、锡、过渡族金属的盐类和稀土金属的盐类及氧化物。

逆磁质逆磁质又称为抗磁质。是指磁化后在其中产生的附加磁场与外磁场方向相反的物质。抗磁质的磁化率Xm为负值，即Xm