一、物質(zhì)磁性的起源

如果磁體的磁是電磁以太渦旋，一個磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會有磁性？我們的回答是：物質(zhì)的磁性起源于原子中電子的運動，電子的運動會產(chǎn)生一個電磁以太的渦旋。

早在1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，第一次揭示了磁與電存在著聯(lián)系，從而把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來。

為了解釋永磁和磁化現(xiàn)象，安培提出了分子電流假說。安培認為，任何物質(zhì)的分子中都存在著環(huán)形電流，稱為分子電流，而分子電流相當一個基元磁體。當物質(zhì)在宏觀上不存在磁性時，這些分子電流做的取向是無規(guī)則的，它們對外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)互相抵消，故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下，等效于基元磁體的各個分子電流將傾向于沿外磁場方向取向，而使物體顯示磁性。

磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有本質(zhì)的聯(lián)系。物質(zhì)的磁性和電子的運動結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個帶電的小球，他們認為，與地球繞太陽的運動相似，電子一方面繞原子核運轉(zhuǎn)，相應(yīng)有軌道角動量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉(zhuǎn)，具有自旋角動量和相應(yīng)的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。（現(xiàn)在人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉(zhuǎn)動是不正確的。）

電子繞原子核作圓軌道運轉(zhuǎn)和繞本身的自旋運動都會產(chǎn)生電磁以太的渦旋而形成磁性，人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩，電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格的作用，其方向是變化的，不能形成一個聯(lián)合磁矩，對外沒有磁性作用。因此，物質(zhì)的磁性不是由電子的軌道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每個電子自旋磁矩的近似值等于一個波爾磁子 。 是原子磁矩的單位， 。因為原子核比電子重2000倍左右，其運動速度僅為電子速度的幾千分之一，故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾，可以忽略不計。

孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu)。原子中如果有未被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。例如，鐵原子的原子序數(shù)為26，共有26個電子，在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子（自旋反平行）外，其余4個軌道均只有一個電子，且這些電子的自旋方向平行，由此總的電子自旋磁矩為4 。

二、 物質(zhì)磁性的分類

1、 抗磁性

當磁化強度M為負時，固體表現(xiàn)為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質(zhì)。在外磁場中，這類磁化了的介質(zhì)內(nèi)部的磁感應(yīng)強度小于真空中的磁感應(yīng)強度M?？勾判晕镔|(zhì)的原子（離子）的磁矩應(yīng)為零，即不存在永久磁矩。當抗磁性物質(zhì)放入外磁場中，外磁場使電子軌道改變，感生一個與外磁場方向相反的磁矩，表現(xiàn)為抗磁性。所以抗磁性來源于原子中電子軌道狀態(tài)的變化?？勾判晕镔|(zhì)的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般約為-10-5，為負值。

2、 順磁性

順磁性物質(zhì)的主要特征是，不論外加磁場是否存在，原子內(nèi)部存在永久磁矩。但在無外加磁場時，由于順磁物質(zhì)的原子做無規(guī)則的熱振動，宏觀看來，沒有磁性；在外加磁場作用下，每個原子磁矩比較規(guī)則地取向，物質(zhì)顯示極弱的磁性。磁化強度與外磁場方向一致，

為正，而且嚴格地與外磁場H成正比。

順磁性物質(zhì)的磁性除了與H有關(guān)外，還依賴于溫度。其磁化率H與絕對溫度T成反比。

式中,C稱為居里常數(shù)，取決于順磁物質(zhì)的磁化強度和磁矩大小。

順磁性物質(zhì)的磁化率一般也很小，室溫下H約為10-5。一般含有奇數(shù)個電子的原子或分子，電子未填滿殼層的原子或離子，如過渡元素、稀土元素、鋼系元素，還有鋁鉑等金屬，都屬于順磁物質(zhì)。

3、 鐵磁性

對諸如Fe、Co、Ni等物質(zhì)，在室溫下磁化率可達10-3數(shù)量級，稱這類物質(zhì)的磁性為鐵磁性。

鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場內(nèi)，也可得到極高的磁化強度，而且當外磁場移去后，仍可保留極強的磁性。其磁化率為正值，但當外場增大時，由于磁化強度迅速達到飽和，其H變小。

鐵磁性物質(zhì)具有很強的磁性，主要起因于它們具有很強的內(nèi)部交換場。鐵磁物質(zhì)的交換能為正值，而且較大，使得相鄰原子的磁矩平行取向（相應(yīng)于穩(wěn)定狀態(tài)），在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域——磁疇。每個磁疇大約有1015個原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列，假設(shè)晶體內(nèi)部存在很強的稱為“分子場”的內(nèi)場，“分子場”足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態(tài)。這種自生的磁化強度叫自發(fā)磁化強度。由于它的存在，鐵磁物質(zhì)能在弱磁場下強列地磁化。因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征，也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在。

鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超過這一溫度，由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發(fā)磁化強度變?yōu)?，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點 。在居里點以上，材料表現(xiàn)為強順磁性，其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里——外斯定律，

式中C為居里常數(shù)。

4、 反鐵磁性

反鐵磁性是指由于電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發(fā)磁化強度，電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發(fā)磁化強度大小相同，方向相反，整個晶體 。反鐵磁性物質(zhì)大都是非金屬化合物，如MnO。

不論在什么溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象，因此其宏觀特性是順磁性的，M與H處于同一方向，磁化率 為正值。溫度很高時， 極?。粶囟冉档?， 逐漸增大。在一定溫度 時， 達最大值 。稱 為反鐵磁性物質(zhì)的居里點或尼爾點。對尼爾點存在 的解釋是：在極低溫度下，由于相鄰原子的自旋完全反向，其磁矩幾乎完全抵消，故磁化率 幾乎接近于0。當溫度上升時，使自旋反向的作用減弱， 增加。當溫度升至尼爾點以上時，熱騷動的影響較大，此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。

三、電子軌道磁矩與軌道角動量的關(guān)系

設(shè)軌道半徑為r (圓軌道)、電子速率為v

則軌道電流I：

電子的軌道磁矩

對處于氫原子基態(tài)的電子，

電子的軌道角動量(圓軌道)

L = mvr

式中m 為電子質(zhì)量

由于電子帶負電，電子軌道磁矩與軌道角動量的關(guān)系是：

(此式雖由圓軌道得出，但與量子力學(xué)的結(jié)論相同)

在這里要特別強調(diào)指出的是：電子軌道磁矩與軌道角動量成正比。

四、電子自旋磁矩與自旋角動量的關(guān)系

實驗證明：電子有自旋(內(nèi)稟)運動，相應(yīng)有自旋磁矩大小為

自旋磁矩和自旋角動量 S 的關(guān)系：

在這里又要特別強調(diào)指出的是：電子自旋磁矩又與自旋角動量成正比。磁矩與角動量成正比不是偶然的。因為電子的角動量越大，它所帶動的電磁以太渦旋的角動量也越大，磁矩當然也就越大了。這也就從另一個側(cè)面印證了磁是以太的渦旋。