抗磁性

理论诠释

关于物质抗磁性的解释主要有电子轨道磁矩的进动理论、感生电场理论以及洛仑兹力的作用等。5

一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场，只是强弱不同而已。磁化率k是材料的磁化强度M与外磁场强度H的比值。它的大小反映了物质磁化的难易程度，也是对物质磁性分类的主要依据。

物体的磁化强度M与磁场强度H的方向相反。从M=kH的关系来看，磁化率k是负的，原子磁化率的数量级约为10－5—10－6eMu。2

抗磁性的本质是电磁感应定律的反映。外加磁场使电子轨道动量矩发生变化，从而产生了一个附加磁矩，磁矩的方向与外磁场方向相反。在磁场作用下，电子围绕原子核的运动是和没有磁场时的运动一样，但同时叠加了一项轨道平面绕磁场方向的进动，即拉莫尔进动。2

大多数物质的抗磁性被其顺磁性所掩盖，只有一小部分物质表现出抗磁性。惰性气体原子表现出的抗磁性可直接测量。一些离子的抗磁性只能从其他测量结果中推算得到。这些物质的k抗的绝对值与原子序数Z成正比，并与外层电子的轨道半径的平方成正比，与温度的变化无关，称为正常抗磁性。少数材料（如Bi，Sb）的k抗比较大（可达10－4—10－3量级），随温度上升变化较快，称为反常抗磁性。早年曾用Bi做测量磁场的传感器材料。金属中自由电子也具有抗磁性，并与温度无关，称朗道抗磁性。但因其绝对值为其顺磁性的1/3，始终被掩盖不易测量。在特殊条件下，金属的抗磁性随磁场的变化有振荡特征，称为德哈斯－范阿尔文效应，是费米面测量的重要方法。超导体中有超导电流时，存在迈斯纳效应时具有很强的抗磁性，其抗磁磁导率为－4π。1

概念说明

抗磁性是普遍存在的，它是所有物质在外磁场作用下毫不例外地具有的一种属性。外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速。根据焦耳－楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率k总是负的。

按照经典理论，传导电子是不可能出现抗磁性的。因为外加磁场（由于洛伦兹力垂直于电子的运动方向）不会改变电子系统的自由能及其分布函数，因此磁化率为零。

在外磁场作用下形成的环形电流在金属的边界上反射，因而使金属体内的抗磁性磁矩为表面 “破折轨道”的反向磁矩抵消，不显示抗磁性。

抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。当受到外加磁场作用时，物质原子的电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率k便成为绝对值很小的负数。一般抗磁性物质的磁化率约为负百万分之一（－10－6）。

由于组成物质原子的原子核外电子环流的作用使其具有的磁特性。抗磁性是产生的磁性作用在与外加磁场相反方向产生屏蔽。如物质中存在不配对电子时，则出现顺磁性，而且可超过任何的抗磁性。屏蔽与去屏蔽取决于核相对任一感生磁场的方向，故称为各向异性效应。抗磁性各向异性是由π和δ电子云内的环流引起的。

只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如，惰性气体元素和抗腐蚀金属元素（金、银、铜等等）都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时，抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除，则抗磁性也会随之消失。

任何物体在磁场作用下，都会产生抗磁性效应。但因抗磁性很弱，若物体具有顺磁性或序磁性（见铁磁性）时，抗磁性就被掩盖了。因此，从原子结构来看，呈现抗磁性的物体是由具有满电子壳层结构的原子、离子或分子组成的，如惰性气体、食盐、水以及绝大多数有机化合物等。由于迈斯纳效应，超导体是理想的抗磁体（见超导电性）。2

抗磁磁化率与磁场和温度无关。但也有例外，如石墨、铋等。2

概念应用

由物质的磁化率研究相关的物质结构是磁化学的一个重要研究内容；一些物质如半导体中的载（电）流子在一定的恒定（直流）磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振（常称回旋共振），由此可测定半导体中载流子（电子和空穴）的符号和有效质量；由生物抗磁性组织的磁化率异常变化可推测该组织的发生病变（如癌变）。