分子固有磁矩

自旋是基本粒子或原子核的固有角動(dòng)量，它與軌道角動(dòng)量不同，即使粒子處于靜止時(shí)也存在。任何粒子的自旋在空間中的方向也不是任意的，它在空間一個(gè)確定方向(如磁場(chǎng)方向)上的投影，必須是h/2π(h為普朗克常數(shù))的整數(shù)或半整數(shù)倍。

水和空氣在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于地磁場(chǎng)的同極磁化作用，分子的自旋磁矩不能夠沖破首尾相連的分子鏈。穩(wěn)定狀態(tài)或直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一旦破壞，分子鏈?zhǔn)幦粺o(wú)存。

水和空氣在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于地磁場(chǎng)的同極磁化作用，分子的自旋磁矩不能夠沖破首尾相連的分子鏈。穩(wěn)定狀態(tài)或直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一旦破壞，分子鏈?zhǔn)幦粺o(wú)存。

根據(jù)能量守恒與物質(zhì)不滅原則，旋風(fēng)和臺(tái)風(fēng)并不是無(wú)緣無(wú)故的正常維持，它即有內(nèi)因又有外因，內(nèi)因是斥磁性物質(zhì)分子內(nèi)部電子軌跡不閉合，近似的電流環(huán)每旋轉(zhuǎn)一周，電流環(huán)近似平面與地磁場(chǎng)方向垂直一次，切割一次地磁場(chǎng)磁力線，產(chǎn)生分子的自旋磁矩，這即是分子的自旋電動(dòng)勢(shì)。外因是有初始旋轉(zhuǎn)速度和初始能量，依靠分子的自旋電動(dòng)勢(shì)，切割磁力線，消耗磁場(chǎng)物質(zhì)產(chǎn)生能量并輸出能量，維持臺(tái)風(fēng)或旋風(fēng)的正常旋轉(zhuǎn)。

實(shí)際上，斥磁性物質(zhì)就如同一臺(tái)上滿發(fā)條的擺鐘，要想使其走動(dòng)，只需輕輕一推，擺鐘即可正常走動(dòng)，超擺越大，直到幅度最大為止。有學(xué)者認(rèn)為人造臺(tái)風(fēng)只需將旋轉(zhuǎn)風(fēng)的風(fēng)力加強(qiáng)到十級(jí)或略高，即可自動(dòng)加強(qiáng)到最大風(fēng)力，形成臺(tái)風(fēng)。

磁化后在其中產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同的物質(zhì)。順磁質(zhì)即順磁性物質(zhì)。其磁化率xm為正值(即χm>0)，在外磁場(chǎng)中它呈現(xiàn)弱磁性，是弱磁質(zhì)。一般χm在10-4數(shù)量級(jí)。這種物質(zhì)在不均勻磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力的作用，使其向磁場(chǎng)較強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)，所以法拉第稱它為順磁性物質(zhì)。用細(xì)長(zhǎng)螺線管端部磁場(chǎng)的不均勻性即可檢驗(yàn)物質(zhì)受力的大小及方向。從物質(zhì)磁化率的特性可以定義Xm>0的物質(zhì)為順磁質(zhì)。從受力的角度則可以定義在不均勻磁場(chǎng)中受力方向與磁場(chǎng)較強(qiáng)的方向一致的物質(zhì)為順磁質(zhì)。這兩種定義是等價(jià)的。從原子結(jié)構(gòu)看，組成順磁質(zhì)的原子、分子具有未被電子填滿的空殼層，即具有固有磁矩Pm≠0，pm為分子磁矩(分子電流磁矩)。在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下，由于熱運(yùn)動(dòng)分子磁矩取向是無(wú)規(guī)則的，故總體不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，使磁矩在一定程度上轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，從而使總體顯出磁性。若外加磁場(chǎng)用B0表示，順磁質(zhì)在外磁場(chǎng)中由于磁化產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)用B′表示。順磁質(zhì)中的B′與B₀同向，B₀愈大B′愈大，直至達(dá)到飽和值。順磁質(zhì)磁化后總磁場(chǎng)用B表示，B=B0 B′。當(dāng)順磁質(zhì)充滿磁場(chǎng)時(shí)，各點(diǎn)的磁場(chǎng)B為真空時(shí)磁場(chǎng)B₀的μr倍，μr是相對(duì)磁導(dǎo)率，而順磁質(zhì)的μr是大于1的，所以磁場(chǎng)B比真空時(shí)增大了。常見(jiàn)的順磁質(zhì)有氧、空氣、一氧化氮、鎢、鈉、鋁、錫、過(guò)渡族金屬的鹽類和稀土金屬的鹽類及氧化物。

一個(gè)分子中的電子的軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軌道磁矩和電子自旋產(chǎn)生的自旋磁矩的總和就構(gòu)成分子的分子磁矩，或者分子固有磁矩。順磁質(zhì)的原子、離子或分子中存在自旋未成對(duì)的電子，它的電子角動(dòng)量總和不等于零，分子磁矩μm≠0，即固有磁矩不為零?？勾刨|(zhì)的原子、離子或分子中沒(méi)有自旋未成對(duì)的電子，即它的分子磁矩，μm=0，固有磁矩為零。

描述載流線圈或微觀粒子磁性的物理量。平面載流線圈的磁矩定義為m=iSn式中i電流強(qiáng)度；S為線圈面積；n為與電流方向成右手螺旋關(guān)系的單位矢量。在均勻外磁場(chǎng)中，平面載流線圈所受合力為零而所受力矩不為零，該力矩使線圈的磁矩m轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)B的方向；在均勻徑向分布外磁場(chǎng)中，平面載流線圈受力矩偏轉(zhuǎn)。許多電機(jī)和電學(xué)儀表的工作原理即基于此。

在原子中，電子因繞原子核運(yùn)動(dòng)而具有軌道磁矩；電子因自旋具有自旋磁矩；原子核、質(zhì)子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。這些對(duì)研究原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)中的塞曼效應(yīng)以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

分子的磁矩就是電子軌道磁矩以及電子和核的自旋磁矩構(gòu)成的(μ=μ_sμ_l=g_sp_s g_lp_l)，磁介質(zhì)的磁化就是外磁場(chǎng)對(duì)分子磁矩作用的結(jié)果。

粒子的內(nèi)稟屬性。每種粒子都有確定的內(nèi)稟磁矩。自旋為s的點(diǎn)粒子的磁矩μ由μ=g(e/2m)p給出，式中e和m分別是該粒子的電荷和質(zhì)量，g是一個(gè)數(shù)值因子，p為自旋角動(dòng)量。自旋為零的粒子磁矩為零。自旋為1/2的粒子，g=2；自旋為1的粒子，g=1；自旋為3/2的粒子，g=2/3。理論上普遍給出g=1/s。

粒子磁矩可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。但實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果并不與此相符，其間差別稱為反常磁矩。對(duì)于自旋均為1/2的電子、μ子、質(zhì)子和中子，精確測(cè)定其g因子分別為

電子 g_l2=1.001159652193（10）

μ子 g_l2=1.001165923（8）

質(zhì)子 g_l2=2.792847386（63）

中子 g_l2=－1.91304275（45）

粒子反常磁矩的來(lái)源有二：一是量子電動(dòng)力學(xué)的輻射修正，電子、μ子屬于這種情形，即使是點(diǎn)粒子，粒子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)其自身的作用導(dǎo)致自旋磁矩的微小變化，這一改變可以嚴(yán)格地用量子電動(dòng)力學(xué)精確計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定符合得很好；另一是由于粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用的影響，質(zhì)子和中子屬于這種情形，質(zhì)子和中子的反常磁矩用于分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

逆磁質(zhì)又稱為抗磁質(zhì)。是指磁化后在其中產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反的物質(zhì)?？勾刨|(zhì)的磁化率Xm為負(fù)值，即X_m<0?？勾刨|(zhì)在磁場(chǎng)中呈現(xiàn)弱磁性，是弱磁質(zhì)。一般X_m在10-數(shù)量級(jí)。抗磁質(zhì)在不均勻磁場(chǎng)中受到磁力的作用，使其向磁場(chǎng)弱的方向運(yùn)動(dòng)。從物質(zhì)磁化率特性可以定義χm<0的物質(zhì)為抗磁質(zhì)。從受力角度可以定義在不均勻磁場(chǎng)中受力方向與磁場(chǎng)較弱的方向一致的物質(zhì)為抗磁質(zhì)。這兩種定義是等價(jià)的?？勾刨|(zhì)即抗磁性物質(zhì)。從原子結(jié)構(gòu)看，組成抗磁質(zhì)的原子、分子沒(méi)有固有磁矩，即Pm=0，p_m是分子磁矩(分子電流磁矩)。所以抗磁質(zhì)沒(méi)有磁化時(shí)不顯磁性。當(dāng)引入外磁場(chǎng)B0時(shí)，正像一個(gè)閉合圓導(dǎo)線中引入磁場(chǎng)時(shí)要產(chǎn)生感應(yīng)電流一樣，在抗磁質(zhì)中也要產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁矩方向與外磁場(chǎng)方向相反。具體些說(shuō)，當(dāng)引入外磁場(chǎng)時(shí)，因磁場(chǎng)由無(wú)到有，磁介質(zhì)中將產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，這種電場(chǎng)使電子繞核的軌道運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，產(chǎn)生附加環(huán)形電流。原子、分子中各電子所形成的附加環(huán)形電流彼此并不抵消，所以原子、分子就有了總的附加環(huán)形電流，于是原子、分子就有了附加磁矩。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，附加磁矩的方向與外磁場(chǎng)方向相反。這就是產(chǎn)生抗磁性的原因?？梢?jiàn)，在抗磁質(zhì)中，附加電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)B′與外磁場(chǎng)B0方向相反，總磁場(chǎng)要比外磁場(chǎng)小。當(dāng)磁介質(zhì)充滿磁場(chǎng)時(shí)，各點(diǎn)磁場(chǎng)B為真空時(shí)磁場(chǎng)B0的μr倍，μr是相對(duì)磁導(dǎo)率，而抗磁質(zhì)的μr是小于1的，所以B比真空時(shí)減小了。根據(jù)對(duì)抗磁性的分析可知，任何媒質(zhì)在外磁場(chǎng)中都會(huì)產(chǎn)生抗磁性，只是因?yàn)榭勾判院苋?，?dāng)物體具有順磁性或鐵磁性時(shí)，抗磁性就被掩蓋了。例如鉍、銅、銀、液態(tài)氮、汞、水、氯化銅、氯化鈉、硫酸鎳、石墨等都是抗磁質(zhì)。多數(shù)化合物特別是有機(jī)化合物是抗磁質(zhì)。超導(dǎo)電性材料在外磁場(chǎng)中被冷卻至其臨界溫度以下時(shí)即產(chǎn)生電流，把體內(nèi)磁通量全部排至體外，使體內(nèi)磁場(chǎng)為零，所以超導(dǎo)體稱為完全的抗磁體。

磁矩載流回路磁矩

在一個(gè)載流回路中，磁矩大小是電流乘以回路面積：u=I×S；

其中，u為磁矩，I 為電流，S 為面積。

磁矩方向則為電流繞行方向右手定則所決定的方向。

載流回路在磁場(chǎng)中所受力矩M與磁矩的關(guān)系為：

M=u×B 其中，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

磁矩基本粒子磁矩

許多基本粒子(例如電子)都有內(nèi)稟磁矩，這種磁矩和經(jīng)典物理的磁矩不同，必須使用量子力學(xué)來(lái)解釋它，和粒子的自旋有關(guān)。而這種內(nèi)稟磁矩即是許多在宏觀之下磁力的來(lái)源，許多的物理現(xiàn)象也和此有關(guān)。這些內(nèi)稟磁矩是量子化的，也就是它有最小的基本單位，常常稱為“磁子”(magneton)或磁元，例如電子自旋磁矩的矢量絕對(duì)值即和玻爾磁子成比例關(guān)系：

其中為電子自旋磁矩，電子自旋g因子gs是一項(xiàng)比例常數(shù)，

磁矩基本粒子

在原子物理學(xué)和核子物理學(xué)里，磁矩的大小標(biāo)記為

欲知道更多有關(guān)于磁矩與磁化強(qiáng)度之間的物理關(guān)系，請(qǐng)參閱條目磁化強(qiáng)度。

在原子中，電子因繞原子核運(yùn)動(dòng)而具有軌道磁矩；電子因自旋具有自旋磁矩；原子核、質(zhì)子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。這些對(duì)研究原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)中的塞曼效應(yīng)以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

分子的磁矩就是電子軌道磁矩以及電子和核的自旋磁矩構(gòu)成的(μ=μ_sμ_l=g_sp_s g_lp_l)，磁介質(zhì)的磁化就是外磁場(chǎng)對(duì)分子磁矩作用的結(jié)果。

粒子的內(nèi)稟屬性。每種粒子都有確定的內(nèi)稟磁矩。自旋為s的點(diǎn)粒子的磁矩μ由μ=g(e/2m)p給出，式中e和m分別是該粒子的電荷和質(zhì)量，g是一個(gè)數(shù)值因子，p為自旋角動(dòng)量。自旋為零的粒子磁矩為零。自旋為1/2的粒子，g=2；自旋為1的粒子，g=1；自旋為3/2的粒子，g=2/3。理論上普遍給出g=1/s。

粒子磁矩可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。但實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果并不與此相符，其間差別稱為反常磁矩。對(duì)于自旋均為1/2的電子、μ子、質(zhì)子和中子，精確測(cè)定其g因子分別為

電子 g_l2=1.001159652193（10）

μ子 g_l2=1.001165923（8）

質(zhì)子 g_l2=2.792847386（63）

中子 g_l2=－1.91304275（45）

粒子反常磁矩的來(lái)源有二：一是量子電動(dòng)力學(xué)的輻射修正，電子、μ子屬于這種情形，即使是點(diǎn)粒子，粒子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)其自身的作用導(dǎo)致自旋磁矩的微小變化，這一改變可以嚴(yán)格地用量子電動(dòng)力學(xué)精確計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定符合得很好；另一是由于粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用的影響，質(zhì)子和中子屬于這種情形，質(zhì)子和中子的反常磁矩用于分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

磁矩是磁鐵的一種物理性質(zhì)。處于外磁場(chǎng)的磁鐵，會(huì)感受到力矩，促使其磁矩沿外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)線方向排列。磁矩可以用矢量表示。磁鐵的磁矩方向是從磁鐵的指南極指向指北極，磁矩的大小取決于磁鐵的磁性與量值。不只是磁鐵具有磁矩，載流回路、電子、分子或行星等等，都具有磁矩。

科學(xué)家至今尚未發(fā)現(xiàn)宇宙中存在有磁單極子。一般磁性物質(zhì)的磁場(chǎng)，其泰勒展開(kāi)的多極展開(kāi)式，由于磁單極子項(xiàng)目恒等于零，第一個(gè)項(xiàng)目是磁偶極子項(xiàng)、第二個(gè)項(xiàng)目是磁四極子（quadrupole）項(xiàng)，以此類推。磁矩也分為磁偶極矩、磁四極矩等等部分。從磁矩的磁偶極矩、磁四極矩等等，可以分別計(jì)算出磁場(chǎng)的磁偶極子項(xiàng)目、磁四極子項(xiàng)目等等。隨著距離的增遠(yuǎn)，磁偶極矩部分會(huì)變得越加重要，成為主要項(xiàng)目，因此，磁矩這術(shù)語(yǔ)時(shí)常用來(lái)指稱磁偶極矩。有些教科書(shū)內(nèi)，磁矩的定義與磁偶極矩的定義相同。