【极冷篇｜第一章：材料物理】04 材料的磁属性

粉丝福利 

学习课程有问题？没关系

每周四晚上20:13，严伯钧老师在喜马拉雅直播间为你在线答疑。

严伯钧的六极物理交流群来啦，跟着严老师一起了解物理界新动向，第一时间get严老师的活动消息，还有不定期的社群活动福利哦。

入群方式

微信添加yan_bojun，并回复：六极物理，我们将会邀请你入群。

欢迎每一位在听《严伯钧的六极物理课》的你的到来。

温馨提示 

六极物理课的更新时间是每周四19:05

课程直播答疑时间紧随其后，每周四20:13

严老师讲义 

19 世纪的伟大物理学家，英国的麦克斯韦总结出了一切经典电磁现象都满足的麦克斯韦方程组，方程组里深刻揭示了电与磁的关系，电与磁永远相互伴随，变化的电场会产生磁场，变化的磁场也会产生电场。既然讨论了材料的电学性质，势必要讨论材料的磁属性。

不同材料对于磁场的反应不同，比如磁铁只能吸引铁、钴、鎳，其他金属，如金、银、铜是不会受到磁铁的吸引的。再比如有一些材料容易磁化，也就是在磁场里放久了也具备了磁性，有些材料则不容易被磁化。

材料的磁属性，由它们的原子结构和电子排布规律决定。

1.4.1 什么是材料磁性？

首先来看看什么性质会让物质呈现跟磁场相关的属性，我们在【极大篇】和【极小篇】都讨论过基本粒子的一种特性，叫自旋。自旋是基本粒子的固有属性，我们可以把这些微观粒子想象成一个个小磁铁，原子中有电子，电子就像一个个小磁铁。不难想象，如果固体材料的性质跟磁有关，那就应该与原子中电子的自旋有关。

每个电子都是一块小磁铁，但是材料中电子的自旋指向是杂乱的，大多数不是磁铁的材料不会呈现磁性。

但是把不同的材料放在磁场中，它们会对磁场有不同的反应，这不同的反应就是不同材料的磁属性。为什么不同材料会呈现不同的磁属性呢？可以考虑这么一个过程，给你一大把小磁铁，对它们进行排布，排布的规律就是不同的磁属性。

我们按照原子中电子分层结构来排布电子，依据电子摆放的不同，不同类型的原子就能获得不同的磁属性。

1.4.2 抗磁性

比较常见的磁性是抗磁性。也就是这种材料如果放在磁场里，材料里的磁场强度会被削弱，这对应的是一种最普遍的电子排布方式。根据薛定谔方程，原子里的电子轨道，是按照能量高低分层的，每层有若干个不同轨道。根据泡利不相容原理，每个轨道可以放两个自旋方向相反的电子，就好比两个反向排列的小磁铁。根据生活经验，我们知道两个磁铁是倾向于反向排列的，同向磁铁的 N 级和 S 级之间会互相排斥。

抗磁性的产生，就是因为一种原子里的电子排布，刚好都是成对出现，每个轨道里都有两个电子，自旋相反。这时作用一个磁场在上面，就会削弱磁场。为什么呢？首先，因为所有轨道都有两个自旋相反的电子，所以它们的磁性对外来说是相互抵消的，因此它们不产生净磁场。

但是，这些电子同时还在围绕原子核运动，就好像一个环形电流，它也会产生一个磁场。加上磁场以后，运动的带电粒子会在磁场中受到洛伦兹力的作用，从而改变电子的运动速度。也就是原子中的电子运动会让原子整体产生一个磁场，这个磁场的方向与外磁场刚好相反，由此就抵消了一些外部磁场，体现为抗磁性。

在磁场中电子运动受到的洛伦兹力

1.4.3 顺磁性

除了抗磁性，还有顺磁性。顾名思义，就是外加一个磁场，顺磁性材料中的磁场反而要比外加的磁场更强。顺磁性也是由原子内电子排布规律导致的，比方说一种原子的最外层有五个轨道，并且它也有五个最外层电子，这个时候这五个电子倾向于每个都占据一个单独的轨道，这种规律叫洪特规则。

为什么会这样呢？为什么不是每两个电子占据一个轨道，剩下的电子占据一个单独的轨道，然后另外两个轨道空着呢？因为两个电子占据一个轨道，反平行的两个电子，磁的相互作用能量更低。但是五个电子单独排列难道不会增加磁相互作用的能量吗？

这里其实是两种能量的博弈。我们知道一个稳定系统一定是能量尽量要低。五个电子分开排列，虽然看似磁相互作用能量升高了，但是从轨道距离上来说，分别分散在五个轨道中的电子之间的距离其实更远，由此降低了它们之间的电相互作用的能量。也就是两个电子离开得越远，相互作用就越弱，相互作用的能量越低。所以顺磁性的材料就是以少部分磁能量的升高，换取大部分电势能的降低。

当五个小磁铁都分占一个轨道时，再加上外磁场，它们都倾向于向一个方向排列，这样五个小磁铁的磁性一致，再加上外磁场，综合起来导致材料内部的磁场增强，这就是顺磁体。比如，铝和钛就是顺磁体。

1.4.4 铁磁性

像铁这样的物质，如果放在磁铁里一段时间，就会具备磁性。但是其它材料似乎没有这样的性质，普通的顺磁性材料，把磁场撤掉，材料的磁性也会消失。

因为任何材料都有温度，有温度就代表原子、分子做无规则运动，一旦撤掉磁场，原子的无规则运动就会占据主导。因此对于顺磁性材料，如果撤掉磁场，磁性就会随之消失。但是铁却不是这样，虽然铁也有原子做无规则运动，但是加上了磁场后，即便撤掉，最外层电子同向排列会使得电子电势能降低的程度极高，这就导致铁磁体非常喜欢电子同向排列的状态，因为可以大大减小它的电势能。

1.4.5 居里温度

这就不得不介绍一个概念——居里温度，是居里夫妇通过实验发现的一个现象。根据前面的分析，我们发现，是否表现出铁磁性，其实是两股力量的博弈。到底是热运动想要变乱的趋势更强烈，还是展现出铁磁性时能够获得更低的电势能的趋势更强烈。

答案很明显，温度越高，热运动想要变乱的趋势就越强烈，这个温度的临界点就是居里温度，也叫居里点。即便是铁，在加热到一定温度，达到居里点之后，铁磁性消失，变成顺磁性。也就是顺磁性和铁磁性的一个本质区别，就是它们所处的温度是在这种材料的居里点以上还是以下。顺磁性物质可以被认为是一种居里温度比较低的物质，室温就已经超过它的居里温度了，铁磁性则反之。

1.4.6 反铁磁体

抗磁、顺磁、铁磁是三种最为主要的材料磁属性，往下还能根据电子分布规律，划分不同的磁属性。不同种类原子的轨道排布的规律都是有差别的，比如反铁磁性，尽管材料当中的电子倾向于规律排列，但它们排列的特点是反平行间隔排列。如果是一个方格结构，第一行是上下上下，第二行是下上下上，也就是每个电子周围的几个电子跟它都是反平行排列。

如果按照排列规律继续细分，还有亚铁磁性和反亚铁磁性，都与材料的原子排布，和内部结构息息相关。

下一章会讲解，如何统合性的解决这些问题。

1.4.7 完全抗磁性

除此之外，超导体具有完全抗磁性，也就是磁场完全无法进入超导形态的材料，材料内的磁场为 0，这叫完全抗磁性。

这就是材料的磁属性，总的来说分三种，但是它最终都可以统一被自旋阵列模型解决。

原本，我们还应该讲讲材料的光学属性。但是材料的光学属性留到下一章讲。至此，我们对于材料的各种性质做了比较全面的讨论，但是这种讨论还是比较浅表以及宏观的，最多不过是分析了电子在原子中的排布方式，但是这样的物理学图景太过定性。

真实情况下，材料的微观性质应当通盘运用量子力学的视角进行分析。在真实的固体，尤其是晶体中，电子并非只围绕一个原子的原子核运动，而是呈周期性排列。这种情况下，我们应当研究的是面对一个周期性排列的原子核系统，电子应当如何运动？它满足的薛定谔方程应该是什么样的？

你会发现有一套全新的理论可以描述，也就是下一章我们将进入固体物理的领域进行探讨，材料的光学性质用固体物理的思想来讨论再清楚不过。