分子固有磁矩概念

一個分子中的電子的軌道運動產(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的電子，它的電子角動量總和不等于零，分子磁矩μm≠0，即固有磁矩不為零。抗磁質(zhì)的原子、離子或分子中沒有自旋未成對的電子，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B的方向；在均勻徑向分布外磁場中，平面載流線圈受力矩偏轉(zhuǎn)。許多電機和電學儀表的工作原理即基于此。

在原子中，電子因繞原子核運動而具有軌道磁矩；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。這些對研究原子能級的精細結(jié)構(gòu)，磁場中的塞曼效應以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復雜的結(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)的磁化就是外磁場對分子磁矩作用的結(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是一個數(shù)值因子，p為自旋角動量。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。

粒子磁矩可通過實驗測定。但實驗測定結(jié)果并不與此相符，其間差別稱為反常磁矩。對于自旋均為1/2的電子、μ子、質(zhì)子和中子，精確測定其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）

粒子反常磁矩的來源有二：一是量子電動力學的輻射修正，電子、μ子屬于這種情形，即使是點粒子，粒子產(chǎn)生的電磁場對其自身的作用導致自旋磁矩的微小變化，這一改變可以嚴格地用量子電動力學精確計算，結(jié)果與實驗測定符合得很好；另一是由于粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強相互作用的影響，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)。

自旋是基本粒子或原子核的固有角動量，它與軌道角動量不同，即使粒子處于靜止時也存在。任何粒子的自旋在空間中的方向也不是任意的，它在空間一個確定方向(如磁場方向)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)或直線運動狀態(tài)一旦破壞，分子鏈蕩然無存。

水和空氣在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于地磁場的同極磁化作用，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)或直線運動狀態(tài)一旦破壞，分子鏈蕩然無存。

根據(jù)能量守恒與物質(zhì)不滅原則，旋風和臺風并不是無緣無故的正常維持，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)近似平面與地磁場方向垂直一次，切割一次地磁場磁力線，產(chǎn)生分子的自旋磁矩，這即是分子的自旋電動勢。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勢，切割磁力線，消耗磁場物質(zhì)產(chǎn)生能量并輸出能量，維持臺風或旋風的正常旋轉(zhuǎn)。

實際上，斥磁性物質(zhì)就如同一臺上滿發(fā)條的擺鐘，要想使其走動，只需輕輕一推，擺鐘即可正常走動，超擺越大，直到幅度最大為止。有學者認為人造臺風只需將旋轉(zhuǎn)風的風力加強到十級或略高，即可自動加強到最大風力，形成臺風。

磁化后在其中產(chǎn)生的附加磁場與外磁場方向相同的物質(zhì)。順磁質(zhì)即順磁性物質(zhì)。其磁化率xm為正值(即χm>0)，在外磁場中它呈現(xiàn)弱磁性，是弱磁質(zhì)。一般χm在10-4數(shù)量級。這種物質(zhì)在不均勻磁場中會受到磁力的作用，使其向磁場較強的方向運動，所以法拉第稱它為順磁性物質(zhì)。用細長螺線管端部磁場的不均勻性即可檢驗物質(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中受力方向與磁場較強的方向一致的物質(zhì)為順磁質(zhì)。這兩種定義是等價的。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)。在沒有外磁場的情況下，由于熱運動分子磁矩取向是無規(guī)則的，故總體不顯磁性。在外磁場作用下，使磁矩在一定程度上轉(zhuǎn)向磁場方向，從而使總體顯出磁性。若外加磁場用B0表示，順磁質(zhì)在外磁場中由于磁化產(chǎn)生的附加磁場用B′表示。順磁質(zhì)中的B′與B₀同向，B₀愈大B′愈大，直至達到飽和值。順磁質(zhì)磁化后總磁場用B表示，B=B0 B′。當順磁質(zhì)充滿磁場時，各點的磁場B為真空時磁場B₀的μr倍，μr是相對磁導率，而順磁質(zhì)的μr是大于1的，所以磁場B比真空時增大了。常見的順磁質(zhì)有氧、空氣、一氧化氮、鎢、鈉、鋁、錫、過渡族金屬的鹽類和稀土金屬的鹽類及氧化物。

逆磁質(zhì)又稱為抗磁質(zhì)。是指磁化后在其中產(chǎn)生的附加磁場與外磁場方向相反的物質(zhì)?？勾刨|(zhì)的磁化率Xm為負值，即X_m<0?？勾刨|(zhì)在磁場中呈現(xiàn)弱磁性，是弱磁質(zhì)。一般X_m在10-數(shù)量級。抗磁質(zhì)在不均勻磁場中受到磁力的作用，使其向磁場弱的方向運動。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中受力方向與磁場較弱的方向一致的物質(zhì)為抗磁質(zhì)。這兩種定義是等價的?？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)沒有磁化時不顯磁性。當引入外磁場B0時，正像一個閉合圓導線中引入磁場時要產(chǎn)生感應電流一樣，在抗磁質(zhì)中也要產(chǎn)生感應電流。感應電流所產(chǎn)生的磁矩方向與外磁場方向相反。具體些說，當引入外磁場時，因磁場由無到有，磁介質(zhì)中將產(chǎn)生感應電場，這種電場使電子繞核的軌道運動發(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)電磁感應定律，附加磁矩的方向與外磁場方向相反。這就是產(chǎn)生抗磁性的原因?？梢姡诳勾刨|(zhì)中，附加電流產(chǎn)生的磁場B′與外磁場B0方向相反，總磁場要比外磁場小。當磁介質(zhì)充滿磁場時，各點磁場B為真空時磁場B0的μr倍，μr是相對磁導率，而抗磁質(zhì)的μr是小于1的，所以B比真空時減小了。根據(jù)對抗磁性的分析可知，任何媒質(zhì)在外磁場中都會產(chǎn)生抗磁性，只是因為抗磁性很弱，當物體具有順磁性或鐵磁性時，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)化合物特別是有機化合物是抗磁質(zhì)。超導電性材料在外磁場中被冷卻至其臨界溫度以下時即產(chǎn)生電流，把體內(nèi)磁通量全部排至體外，使體內(nèi)磁場為零，所以超導體稱為完全的抗磁體。

磁矩載流回路磁矩

在一個載流回路中，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。

載流回路在磁場中所受力矩M與磁矩的關(guān)系為：

M=u×B 其中，B 為磁感應強度。

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，必須使用量子力學來解釋它，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是一項比例常數(shù)，

磁矩基本粒子

在原子物理學和核子物理學里，磁矩的大小標記為

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

在原子中，電子因繞原子核運動而具有軌道磁矩；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。這些對研究原子能級的精細結(jié)構(gòu)，磁場中的塞曼效應以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復雜的結(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)的磁化就是外磁場對分子磁矩作用的結(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是一個數(shù)值因子，p為自旋角動量。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。

粒子磁矩可通過實驗測定。但實驗測定結(jié)果并不與此相符，其間差別稱為反常磁矩。對于自旋均為1/2的電子、μ子、質(zhì)子和中子，精確測定其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）

粒子反常磁矩的來源有二：一是量子電動力學的輻射修正，電子、μ子屬于這種情形，即使是點粒子，粒子產(chǎn)生的電磁場對其自身的作用導致自旋磁矩的微小變化，這一改變可以嚴格地用量子電動力學精確計算，結(jié)果與實驗測定符合得很好；另一是由于粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強相互作用的影響，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)。處于外磁場的磁鐵，會感受到力矩，促使其磁矩沿外磁場的磁場線方向排列。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，其泰勒展開的多極展開式，由于磁單極子項目恒等于零，第一個項目是磁偶極子項、第二個項目是磁四極子（quadrupole）項，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，可以分別計算出磁場的磁偶極子項目、磁四極子項目等等。隨著距離的增遠，磁偶極矩部分會變得越加重要，成為主要項目，因此，磁矩這術(shù)語時常用來指稱磁偶極矩。有些教科書內(nèi)，磁矩的定義與磁偶極矩的定義相同。