抗磁性

理論詮釋

關(guān)于物質(zhì)抗磁性的解釋主要有電子軌道磁矩的進(jìn)動(dòng)理論、感生電場(chǎng)理論以及洛侖茲力的作用等。5

一切物質(zhì)都具有磁性，任何空間都存在磁場(chǎng)，只是強(qiáng)弱不同而已。磁化率k是材料的磁化強(qiáng)度M與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值。它的大小反映了物質(zhì)磁化的難易程度，也是對(duì)物質(zhì)磁性分類的主要依據(jù)。

物體的磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向相反。從M=kH的關(guān)系來看，磁化率k是負(fù)的，原子磁化率的數(shù)量級(jí)約為10－5—10－6eMu。2

抗磁性的本質(zhì)是電磁感應(yīng)定律的反映。外加磁場(chǎng)使電子軌道動(dòng)量矩發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了一個(gè)附加磁矩，磁矩的方向與外磁場(chǎng)方向相反。在磁場(chǎng)作用下，電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)是和沒有磁場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)一樣，但同時(shí)疊加了一項(xiàng)軌道平面繞磁場(chǎng)方向的進(jìn)動(dòng)，即拉莫爾進(jìn)動(dòng)。2

大多數(shù)物質(zhì)的抗磁性被其順磁性所掩蓋，只有一小部分物質(zhì)表現(xiàn)出抗磁性。惰性氣體原子表現(xiàn)出的抗磁性可直接測(cè)量。一些離子的抗磁性只能從其他測(cè)量結(jié)果中推算得到。這些物質(zhì)的k抗的絕對(duì)值與原子序數(shù)Z成正比，并與外層電子的軌道半徑的平方成正比，與溫度的變化無關(guān)，稱為正?？勾判?。少數(shù)材料（如Bi，Sb）的k抗比較大（可達(dá)10－4—10－3量級(jí)），隨溫度上升變化較快，稱為反?？勾判?。早年曾用Bi做測(cè)量磁場(chǎng)的傳感器材料。金屬中自由電子也具有抗磁性，并與溫度無關(guān)，稱朗道抗磁性。但因其絕對(duì)值為其順磁性的1/3，始終被掩蓋不易測(cè)量。在特殊條件下，金屬的抗磁性隨磁場(chǎng)的變化有振蕩特征，稱為德哈斯－范阿爾文效應(yīng)，是費(fèi)米面測(cè)量的重要方法。超導(dǎo)體中有超導(dǎo)電流時(shí)，存在邁斯納效應(yīng)時(shí)具有很強(qiáng)的抗磁性，其抗磁磁導(dǎo)率為－4π。1

概念說明

抗磁性是普遍存在的，它是所有物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下毫不例外地具有的一種屬性。外磁場(chǎng)穿過電子軌道時(shí)，引起的電磁感應(yīng)使軌道電子加速。根據(jù)焦耳－楞次定律，由軌道電子的這種加速運(yùn)動(dòng)所引起的磁通，總是與外磁場(chǎng)變化相反，因而磁化率k總是負(fù)的。

按照經(jīng)典理論，傳導(dǎo)電子是不可能出現(xiàn)抗磁性的。因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)（由于洛倫茲力垂直于電子的運(yùn)動(dòng)方向）不會(huì)改變電子系統(tǒng)的自由能及其分布函數(shù)，因此磁化率為零。

在外磁場(chǎng)作用下形成的環(huán)形電流在金屬的邊界上反射，因而使金屬體內(nèi)的抗磁性磁矩為表面 “破折軌道”的反向磁矩抵消，不顯示抗磁性。

抗磁性是一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)，物質(zhì)原子的電子軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，而且在與外加磁場(chǎng)的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩。這樣表示物質(zhì)磁性的磁化率k便成為絕對(duì)值很小的負(fù)數(shù)。一般抗磁性物質(zhì)的磁化率約為負(fù)百萬分之一（－10－6）。

由于組成物質(zhì)原子的原子核外電子環(huán)流的作用使其具有的磁特性。抗磁性是產(chǎn)生的磁性作用在與外加磁場(chǎng)相反方向產(chǎn)生屏蔽。如物質(zhì)中存在不配對(duì)電子時(shí)，則出現(xiàn)順磁性，而且可超過任何的抗磁性。屏蔽與去屏蔽取決于核相對(duì)任一感生磁場(chǎng)的方向，故稱為各向異性效應(yīng)?？勾判愿飨虍愋允怯搔泻挺碾娮釉苾?nèi)的環(huán)流引起的。

只有純抗磁性物質(zhì)才能明顯地被觀測(cè)到抗磁性。例如，惰性氣體元素和抗腐蝕金屬元素（金、銀、銅等等）都具有顯著的抗磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)存在時(shí)，抗磁性才會(huì)表現(xiàn)出來。假設(shè)外磁場(chǎng)被撤除，則抗磁性也會(huì)隨之消失。

任何物體在磁場(chǎng)作用下，都會(huì)產(chǎn)生抗磁性效應(yīng)。但因抗磁性很弱，若物體具有順磁性或序磁性（見鐵磁性）時(shí)，抗磁性就被掩蓋了。因此，從原子結(jié)構(gòu)來看，呈現(xiàn)抗磁性的物體是由具有滿電子殼層結(jié)構(gòu)的原子、離子或分子組成的，如惰性氣體、食鹽、水以及絕大多數(shù)有機(jī)化合物等。由于邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體是理想的抗磁體（見超導(dǎo)電性）。2

抗磁磁化率與磁場(chǎng)和溫度無關(guān)。但也有例外，如石墨、鉍等。2

概念應(yīng)用

由物質(zhì)的磁化率研究相關(guān)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是磁化學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容；一些物質(zhì)如半導(dǎo)體中的載（電）流子在一定的恒定（直流）磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下會(huì)發(fā)生抗磁共振（常稱回旋共振），由此可測(cè)定半導(dǎo)體中載流子（電子和空穴）的符號(hào)和有效質(zhì)量；由生物抗磁性組織的磁化率異常變化可推測(cè)該組織的發(fā)生病變（如癌變）。