抗磁性

運動的電子在磁場中受電磁感應表現出的屬性

抗磁性(diamagnetism)一種弱磁性。物體的磁化強度M與磁場強度H的方向相反,本質是電磁感應定律的反映。組成物質的原子中,運動的電子在磁場中受電磁感應而表現出的屬性。外加磁場使電子軌道動量矩繞磁場進動,產生與磁場方向相反的附加磁矩,故磁化率k抗為很小的負值(10-5—10-6量級)。因此,所有物質都具有抗磁性。

理論解釋


順磁性和抗磁性
順磁性和抗磁性
一切物質都具有磁性,任何空間都存在磁場,只是強弱不同而已。磁化率k是材料的磁化強度M與外磁場強度H的比值。它的大小反映了物質磁化的難易程度,也是對物質磁性分類的主要依據。
物體的磁化強度M與磁場強度H的方向相反。從的關係來看,磁化率k是負的,原子磁化率的數量級約為。抗磁性的本質是電磁感應定律的反映。大多數物質的抗磁性被其順磁性所掩蓋,只有一小部分物質表現出抗磁性。惰性氣體原子表現出的抗磁性可直接測量。一些離子的抗磁性只能從其他測量結果中推算得到。這些物質的k抗的絕對值與原子序數Z成正比,並與外層電子的軌道半徑的平方成正比,與溫度的變化無關,稱為正常抗磁性。少數材料(如Bi,Sb)的k抗比較大(可達量級),隨溫度上升變化較快,稱為反常抗磁性。早年曾用Bi做測量磁場的感測器材料。金屬中自由電子也具有抗磁性,並與溫度無關,稱朗道抗磁性。但因其絕對值為其順磁性的,始終被掩蓋不易測量。在特殊條件下,金屬的抗磁性隨磁場的變化有振蕩特徵,稱為德哈斯-范阿爾文效應,是費米面測量的重要方法。超導體中有超導電流時,存在邁斯納效應時具有很強的抗磁性,其抗磁磁導率為。概念說明
完全抗磁性
完全抗磁性
抗磁性是普遍存在的,它是所有物質在外磁場作用下毫不例外地具有的一種屬性。外磁場穿過電子軌道時,引起的電磁感應使軌道電子加速。根據焦耳-楞次定律,由軌道電子的這種加速運動所引起的磁通,總是與外磁場變化相反,因而磁化率k總是負的。按照經典理論,傳導電子是不可能出現抗磁性的。因為外加磁場(由於洛倫茲力垂直於電子的運動方向)不會改變電子系統的自由能及其分佈函數,因此磁化率為零。在外磁場作用下形成的環形電流在金屬的邊界上反射,因而使金屬體內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。抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩互相抵消,合磁矩為零。當受到外加磁場作用時,物質原子的電子軌道運動會發生變化,而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。這樣表示物質磁性的磁化率k便成為絕對值很小的負數。一般抗磁性物質的磁化率約為負百萬分之一。由於組成物質原子的原子核外電子環流的作用使其具有的磁特性。抗磁性是產生的磁性作用在與外加磁場相反方向產生屏蔽。如物質中存在不配對電子時,則出現順磁性,而且可超過任何的抗磁性。屏蔽與去屏蔽取決於核相對任一感生磁場的方向,故稱為各向異性效應。抗磁性各向異性是由π和δ電子云內地環流引起的。只有純抗磁性物質才能明顯地被觀測到抗磁性。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。當外磁場存在時,抗磁性才會表現出來。假設外磁場被撤除,則抗磁性也會隨之消失。從的關係來看,磁化率ⅹ是負的,原子磁化率的數量級約為。外加磁場使電子軌道動量矩發生變化,從而產生了一個附加磁矩,磁矩的方向與外磁場方向相反。在磁場作用下,電子圍繞原子核的運動是和沒有磁場時的運動一樣,但同時疊加了一項軌道平面繞磁場方向的進動,即拉莫爾進動。與其對應的原子磁化率是式中為原子中第i個電子的軌道均方半徑,
抗磁性
抗磁性
是對一個原子求和,N是阿伏伽德羅常數,m和e分別是電子的靜質量和電荷,с為光速。任何物體在磁場作用下,都會產生抗磁性效應。但因抗磁性很弱,若物體具有順磁性或序磁性(見鐵磁性)時,抗磁性就被掩蓋了。因此,從原子結構來看,呈現抗磁性的物體是由具有滿電子殼層結構的原子、離子或分子組成的,如惰性氣體、食鹽、水以及絕大多數有機化合物等。由於邁斯納效應,超導體是理想的抗磁體(見超導電性)。實際上,自然界中絕大多數物體都是抗磁性的。抗磁磁化率與磁場和溫度無關。但也有例外,如石墨、鉍等。應用
由物質的磁化率研究相關的物質結構是磁化學的一個重要研究內容;一些物質如半導體中的載(電)流子在一定的恆定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發生抗磁共振(常稱迴旋共振),由此可測定半導體中載流子電子和空穴)的符號和有效質量;由生物抗磁性組織的磁化率異常變化可推測該組織的發生病變(如癌變)。