基本介紹
- 中文名：分子固有磁矩
- 外文名：Molecular intrinsic magnetic moment
- 領域：物理
- 簡稱：分子磁矩
- 組成：軌道磁矩和自旋磁矩
- 分類：順磁質、抗磁質
概念,磁矩,自旋磁矩,順磁質,逆磁質,
概念
一個分子中的電子的軌道運動產生的軌道磁矩和電子自旋產生的自旋磁矩的總和就構成分子的分子磁矩，或者分子固有磁矩。順磁質的原子、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於零，分子磁矩μm≠0，即固有磁矩不為零。抗磁質的原子、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。
磁矩
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係的單位矢量。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。許多電機和電學儀表的工作原理即基於此。
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構，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複雜的結構。
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成的(μ=μs+μl=gsps+glpl)，磁介質的磁化就是外磁場對分子磁矩作用的結果。
粒子的內稟屬性。每種粒子都有確定的內稟磁矩。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量，g是一個數值因子，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。
古地球磁矩的變化
古地球磁矩的變化電子 gl2=1.001159652193（10）
μ子 gl2=1.001165923（8）
質子 gl2=2.792847386（63）
中子 gl2=－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子屬於這種情形，即使是點粒子，粒子產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，結果與實驗測定符合得很好；另一是由於粒子有內部結構和強相互作用的影響，質子和中子屬於這種情形，質子和中子的反常磁矩用於分析其內部結構。
自旋磁矩
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，即使粒子處於靜止時也存在。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)的整數或半整數倍。
水和空氣在穩定狀態下，由於地磁場的同極磁化作用，分子的自旋磁矩不能夠衝破首尾相連的分子鏈。穩定狀態或直線運動狀態一旦破壞，分子鏈蕩然無存。
水和空氣在穩定狀態下，由於地磁場的同極磁化作用，分子的自旋磁矩不能夠衝破首尾相連的分子鏈。穩定狀態或直線運動狀態一旦破壞，分子鏈蕩然無存。
根據能量守恆與物質不滅原則，旋風和颱風並不是無緣無故的正常維持，它即有內因又有外因，內因是斥磁性物質分子內部電子軌跡不閉合，近似的電流環每旋轉一周，電流環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，消耗磁場物質產生能量並輸出能量，維持颱風或旋風的正常旋轉。
實際上，斥磁性物質就如同一台上滿發條的擺鐘，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。有學者認為人造颱風只需將旋轉風的風力加強到十級或略高，即可自動加強到最大風力，形成颱風。
順磁質
磁化後在其中產生的附加磁場與外磁場方向相同的物質。順磁質即順磁性物質。其磁化率xm為正值(即χm>0)，在外磁場中它呈現弱磁性，是弱磁質。一般χm在10-4數量級。這種物質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。用細長螺線管端部磁場的不均勻性即可檢驗物質受力的大小及方向。從物質磁化率的特性可以定義Xm>0的物質為順磁質。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為順磁質。這兩種定義是等價的。從原子結構看，組成順磁質的原子、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，由於熱運動分子磁矩取向是無規則的，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，順磁質在外磁場中由於磁化產生的附加磁場用B′表示。順磁質中的B′與B0同向，B0愈大B′愈大，直至達到飽和值。順磁質磁化後總磁場用B表示，B=B0+B′。當順磁質充滿磁場時，各點的磁場B為真空時磁場B0的μr倍，μr是相對磁導率，而順磁質的μr是大於1的，所以磁場B比真空時增大了。常見的順磁質有氧、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
逆磁質又稱為抗磁質。是指磁化後在其中產生的附加磁場與外磁場方向相反的物質。抗磁質的磁化率Xm為負值，即Xm<0。抗磁質在磁場中呈現弱磁性，是弱磁質。一般Xm在10-數量級。抗磁質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。從物質磁化率特性可以定義χm<0的物質為抗磁質。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為抗磁質。這兩種定義是等價的。抗磁質即抗磁性物質。從原子結構看，組成抗磁質的原子、分子沒有固有磁矩，即Pm=0，pm是分子磁矩(分子電流磁矩)。所以抗磁質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生感應電流一樣，在抗磁質中也要產生感應電流。感應電流所產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，磁介質中將產生感應電場，這種電場使電子繞核的軌道運動發生變化，產生附加環形電流。原子、分子中各電子所形成的附加環形電流彼此並不抵消，所以原子、分子就有了總的附加環形電流，於是原子、分子就有了附加磁矩。根據電磁感應定律，附加磁矩的方向與外磁場方向相反。這就是產生抗磁性的原因。可見，在抗磁質中，附加電流產生的磁場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，而抗磁質的μr是小於1的，所以B比真空時減小了。根據對抗磁性的分析可知，任何媒質在外磁場中都會產生抗磁性，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、液態氮、汞、水、氯化銅、氯化鈉、硫酸鎳、石墨等都是抗磁質。多數化合物特別是有機化合物是抗磁質。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生電流，把體內磁通量全部排至體外，使體內磁場為零，所以超導體稱為完全的抗磁體。
