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這個問題涉及對磁性的理解。 我們知道有電荷。電荷分兩種，同性相斥，異性相吸。在自然界中，大部分物質(zhì)（我們身邊的物質(zhì)）是以分子或原子的形態(tài)存在的，而分子/原子的主要性質(zhì)取決于電子。 通過摩擦，物質(zhì)之間可能發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，這就是摩擦起電現(xiàn)象，通過摩擦起電，我們很早就知道世界上存在兩種電荷。 磁性也是人們很早就認識到的一種自然現(xiàn)象，但和電現(xiàn)象不同，我們沒法孤立出兩種磁荷。 典型的磁現(xiàn)象涉及磁鐵，磁鐵一般是長條形的，這兩端的行為很像電荷，N端和N端靠近是排斥的，而N端和S端靠近是吸引的。這讓人猜測N和S就好像電荷的正或負，但我們無法把N端和S端分開，一旦強行分開，我們會得到兩個磁鐵，每個磁鐵上都有相反的N和S。 因為這個原因，物理學(xué)家用“磁矩”，而不是磁荷來描述磁現(xiàn)象。但電和磁有關(guān)系，很快被法拉第等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了，簡單說就是環(huán)形電流（比如電子圍繞一個圓形軌道轉(zhuǎn)圈）具有磁性，這讓人們猜測磁性物質(zhì)的分子具有環(huán)形電流，這些磁性累加起來體現(xiàn)為宏觀的磁性。 環(huán)形電流，就相當(dāng)于小磁鐵，也有磁矩。磁性的本質(zhì)要歸結(jié)到“電”，從這個角度并不存在磁銅，磁鋁。因為磁鐵中導(dǎo)致相互吸引的原因并不是只和鐵有關(guān)的特別的東西，是否具有磁性需要研究物質(zhì)中電子的運動狀況（原子核對磁性的貢獻比電子對磁性的貢獻小得多）。 按照這個思路，應(yīng)該在磁性物體的表面存在“環(huán)形電流”，但可惜的是這個電流并沒有被人們檢測到。并且人們迄今為止也沒有在自然界中觀察到獨立的磁荷。換句話說，我們觀察到的磁性現(xiàn)象大多都與電有關(guān)。 根據(jù)量子力學(xué)，電子在原子內(nèi)的運動可以歸結(jié)為四個量子數(shù)，n，l，m和sz，其中m叫磁量子數(shù)，相當(dāng)于電子在原子內(nèi)作“軌道運動”所具有的“軌道角動量”的z分量，如果m不是0，電子相應(yīng)地會具有磁矩，這和“分子電流”的概念有點像，區(qū)別是這里電子的運動必須用量子力學(xué)來描述。 此外，根據(jù)相對論性量子力學(xué)，電子還具有內(nèi)稟的自旋，它在z方向上的分量是sz，自旋也會貢獻磁矩。換句話說，原子內(nèi)部的電子是磁性的來源，那么為什么元素周期表上的大多數(shù)物質(zhì)不體現(xiàn)出磁性呢？ 元素磁性的周期表，藍色是反鐵磁，淺藍是抗磁，紅色是順磁，只有黃色是鐵磁，對外體現(xiàn)出“磁性”，Gd也是鐵磁的，但其居里溫度只有292K（19°C），正好在室溫時體現(xiàn)不出磁性。 一個原因是原子里面有很多電子，它們傾向于按照泡利不相容原理按照能量的高低從低到高排列，這導(dǎo)致大多數(shù)電子的磁矩相互抵消了，比如滿殼層的電子，磁矩就互相抵消掉了。 對于固態(tài)中的原子，如果不是滿殼層，則會和周圍的原子形成共價鍵（半導(dǎo)體），或得失電子使得殼層變成滿殼層（離子晶體），換句話說很多固態(tài)物質(zhì)中的電子也不對外顯示磁性了。此外，還有軌道淬滅概念，即處于晶格中的原子在特定條件下，軌道角動量的z分量平均值為0。 此外還有金屬，對于金屬來說，最外層電子是整個晶格共有的，它們處于一個連續(xù)的能帶里，其中一半向上，一半向下，正好磁性互相抵消（銅和鋁等金屬就是這種情況）。除非金屬的能帶結(jié)構(gòu)并不對稱，使得某種自旋取向的電子更多，這樣金屬才有可能對外體現(xiàn)出磁性。 如圖：4s電子對自旋向上和向下的能帶是對稱的，而3d電子則是不對稱的。Cu的電子結(jié)構(gòu)是3d^104s^1，換句話說Cu不具備磁性是因為其最外層只有4s電子。而鐵（3d^64s^2）、鈷（3d^74s^2）、鎳（3d^94s^1）則分別都有未填充滿的3d電子。鋁的電子結(jié)構(gòu)是3s^23p^1，因此鋁也不具有磁性。 最后還要考慮居里溫度（Tc），因為磁性的存在會使磁矩相互平行排列，但如果無規(guī)則熱運動的能量過大，則會破壞這種平行排列，使得磁性沒法對外體現(xiàn)出來。 換句話說，固體要對外顯示出磁性，其條件是相當(dāng)苛刻的，在天然物質(zhì)中只有鐵、鈷、鎳三種物質(zhì)具有磁性，它們的居里溫度分別是1043K，1400K和627K。 |
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