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          磁性是如何產生的?
          2012-7-5


            看圖,簡爾言之,物質的磁性來源于物質原子中的電子。我們知道,物質是由原子組成的,而原子又是由原子核和位于原子核外的電子組成的。原子核好象太陽,而核外電子就仿佛是圍繞太陽運轉的行星。電子不僅繞原轉,而且其本身也在自轉(在磁學里稱做自旋),跟地球的情況差不多。一個原子就象一個小小的“太陽系”。從統計規律來看,電子在原子核外象云一樣圍繞在原子周圍,但電子在某個曾面上出現的幾率是不同的,呈現層狀包縛在原子外(成為電子層),且每一層有不同數量的電子。第一層為1s,第二層有兩個亞層2s和2p,第三層有三個亞層3s、3p和3d,依此類推。

            電子是一種帶電粒子,帶有負電荷。電子的自轉會使電子本身具有磁性,成為一個小小的磁鐵,具有N極和S極。也就是說,電子就好象很多小小的磁鐵繞原子核旋轉。這類似于電流產生磁場的情況。

            既然電子的自轉會使它成為小磁鐵,那么原子乃至整個物體會不會就自然而然地也成為一個磁鐵了呢?當然不是。如果是的話,豈不是所有的物質都有磁性。那么為什么只有少數物質(象鐵、鈷、鎳等)才具有磁性呢?對于這個問題可以這樣說明,對于產生磁性的角度而言,電子自旋的作用大于電子圍繞原子核公轉的作用。電子的自轉方向只有上下兩種。在一些數物質中,具有向上自旋和向下自旋的電子數目一樣多,它們產生的磁極會互相抵消,整個原子,以至于整個物體對外沒有磁性。對于那些正負自旋電子數目不同的原子來說,由于電子所磁矩不能相互抵消,導致整個原子具有磁矩。

            以上是微觀角度產生磁性的原因。物質是由大量原子組成的,雖然單個原子的磁矩不為零(而且大部分原子的磁矩都不為零),會在原子量級上產生磁性,但由于物質中大量原子并非整齊排列,而是隨機混亂排列的,所以大部分物質并不顯宏觀磁性。少數物質如:鐵、鈷、鎳,它們原子內部的電子在不同自旋方向上的數量不一樣,這樣在自旋相反的電子磁極互相抵消以后,還剩余一部分電子的磁矩并沒有被抵消。這樣整個原子具有磁矩。同時,由于一種被稱為“交換作用”的原理,這些原子磁矩之間被整齊地排列起來,使得整個物體也就有了磁性。當剩余的電子數量不同時,物體顯示的磁性強弱也不同。例如,鐵的原子中沒有被抵消的電子磁極數最多,原子的總剩余磁性最強。而鎳原子中自轉沒有被抵消的電子數量很少,所有它的磁性比較弱。

           

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