磁性的本質是什麼，或者怎麼從微觀角度解釋磁性產生的原因?

01-06

謝謝大家指正，現在將問題修改如下。
高中我們就學習過，變化的電場周圍會產生磁場。那麼，在微觀狀態，電子的同向運動同樣能夠形成變化的電場，同樣應該也能產生磁場。從這個角度出發，我相信大量材料的磁性出現都是因為材料中晶格的規則排列，大量自由電子圍繞各自核心做同向的運動，因此產生磁性。但這樣的解釋存在很多的反例，比如非晶體中的磁性，另外有些晶體材料同樣不具備明顯的磁性等等，因此，磁性產生的微觀機制到底是什麼？

開個新坑，爭取有生之年完成：

作為一種物理場，磁場是看不見、摸不著但又客觀存在的特殊物質。它是磁性相互作用的媒介，有點神秘但卻實實在在影響著我們的生活。而題主的困惑來源於我們對磁性產生原因的混淆。磁場的產生可以分為兩大方面（如圖1所示）：1、以運動電流為基礎；2、以基本粒子的量子特徵—自旋為基礎。我們需要將這兩部分獨立進行闡述。題主所說的「高中我們就學習過，變化的電場周圍會產生磁場」正是第一種起源，而題主接著提到的「比如非晶體中的磁性，另外有些晶體材料同樣不具備明顯的磁性等等」儘管不對，但其實指的就是第二種起源。

Source：electromagnetism

圖1

1.
我們大家最耳熟能詳的第一個原因就是「運動電荷產生磁場」。其來自於法拉第的電磁感應定律，只要記住了就行。但如果非要問個為什麼，由於電磁方面的高手很多我就不班門弄斧了，大致的說說就是：電場和磁場是電磁張量的兩面，它們之間相互關聯。當由於參考系不同而使得觀察者和電荷之間的相對速度改變時，電磁張量就可能劈裂成了移動電荷所產生的電場和磁場。（參考Magnetic field）

2. 我想多說的是第二個起源：以自旋為基礎的鐵磁性物質中的磁性。

首先，需要澄清一點。由於自旋是一些構成物質基本粒子（例如電子）的本質特性（如圖2）因此，從理論上來說，所有的物質都有「磁性」。不同的是，不同物質所表現出的磁性種類不同（如圖3）。而我們一般所說的「磁鐵」，主要是指具有獨立（無外場時）提供磁能（磁場）的「鐵磁性物質」，也就是永磁體。這就是我們所要講的重點。

圖2 （source： Standard Model）

圖3 （侵刪）

其次，由於構成原子核的微觀粒子的磁矩要遠小於其外部的大量電子的磁矩。因此，我們主要考慮核外電子對磁性的貢獻。下面就進入正題：

第一步：核外電子的分布與凈剩自旋

核外電子的分布核心是能量的區別。不同的殼層（K、L、M、N等）以及不同的「軌道」（s、p、d、f等）定義了具有不同能量的電子狀態。電子佔據這些狀態的時候需要遵從以下規則：

構造原理（能量最低法則Aufbau principle）：就是電子先佔據能量低的軌道，然後沒地待的時候再去佔據新的能量更高的軌道，圖4給出了直觀的電子軌道能量關係和排布規律。

圖4 （source： STAMP Chemistry）

泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）運用到我們的問題中時，簡言之就是在同一個軌道上最多只能有兩個自旋方向相反的電子存在。這樣一來，凡是佔據了兩個電子的軌道，其自旋相互抵消，對磁矩的貢獻也就為零。如圖5，例如對於C原子來說，它的所有軌道上只有2p軌道具有一個「不成對」電子，因而也就有一個凈剩自旋。

洪德法則（Hund"s rules）簡單說就是，一個軌道上一般都有幾個「兼并能級」，例如圖5中的2p軌道有3個能量一樣的兼并能級。在這種情況下，電子先一個蘿蔔一個坑把所有的都佔一遍，如果還剩電子，才會一個配一個的佔滿這些能級。

圖5 （侵刪）

基於這些規律，我們會發現一個有趣的事實：在元素周期表中

1.
惰性氣體（ⅧA）的核外電子都恰好是全部成對的，因此不可能有凈勝自旋；

2.
主族元素（ⅠA ~ⅫA）雖然都有未配對電子，但在形成化合物時，這些電子一般都會成為價電子參與配對成鍵，因而也大都不具備明顯的磁性；

3.
只有過渡族元素具有非價電子的凈剩自旋，因而也就是不同材料中磁性的主要承載者。

第二步：分子場與自旋劈裂

第三步：交換作用與磁矩排列

第四步：自發磁化與磁疇

第五步：各向異性與磁硬化

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

暫時填到這，好後悔

磁性物理學認為材料的磁性有三種來源：原子核磁矩，電子自旋磁矩以及軌道電子運動產生的軌道磁矩。後兩種是主要的。材料的各種磁學性質都是這三種磁性相互耦合以及與環境作用的結果。

具體來說主要可以分為以下五種：

1，抗磁性(加外磁場後內部出現方向相反的磁化強度)

來源於磁力線穿過自旋磁矩時產生的附加磁矩，與外磁場方向相反。抗磁性是普遍存在的，任何材料中都有，但非常微弱，可能會被其他性質掩蓋。

2，順磁性(加外磁場後內部出現方向相同的磁化強度)

可以理解為原子磁矩(電子磁矩與軌道磁矩耦合)在外場作用下的取向行為。本來是隨機混亂的，平均下來磁矩為零。加了外場後有了取向性，產生宏觀順磁磁矩，比較微弱。

3，鐵磁性(不需要外場就有磁性，自發磁化)

來源比較複雜，可以大概理解為有的時候相鄰電子自旋平行能量更低，這樣在低溫下會自發磁化，產生鐵磁性，屬於強磁性。

4，反鐵磁性(宏觀表現為沒有磁性，但實際上是兩個方向磁性相互抵消)

與鐵磁相反，相鄰電子自旋反平行能量更低，兩個次晶格磁性相互抵消，弱磁性。

5，亞鐵磁性(與鐵磁性相似，但一些物理規律不一樣)

大概理解為兩套反平行的電子自旋沒有完全抵消，剩餘自發磁化。強磁性。

當然這些只是非常籠統的不嚴謹的概括，每種磁性都有其他的來源(比如朗道抗磁性，范弗萊克順磁性，泡利順磁性等)，而且同一種磁性在各類材料中來源也不盡相同(過渡金屬的巡遊電子模型，金屬氧化物的間接交換作用，稀土金屬的RKKY模型等)，即使是同一種材料在不同環境條件下(溫度，外磁場，壓強等)也會表現出不同的磁性。就目前而言依然有些無法理解的現象，或者傳統的這些解釋有本身的局限性。

材料的磁性應用非常廣范，裡面的物理現象也非常豐富，很有意思。希望這篇粗淺的回答對理解有所幫助。

對這個問題很感興趣，先瞎說幾句，怕說錯所以匿，以後有空補充：

1. 場論角度：狹義相對論中電磁等效，換一個不同的慣性系來看，運動的電場就是磁場，運動的磁場就是電場。在場論中，場是本質，各種粒子是從場中湧現出來的。電磁場，是時空中存在的本源物質，遵從麥克斯韋方程動力學演化，沒有更深的本質。

2. 從粒子物理角度：如果大家認為電子有電荷沒有什麼好奇怪的，那同樣電子有磁矩（自旋）也並不是一件可以奇怪的事，奇怪的應該是為什麼沒有磁單極子。電荷、質量、自旋，都是基本粒子的基本屬性，沒有更深的本質（這是弦論研究的課題）。參考標準模型。

至於以上兩種角度的解釋有什麼內在聯繫，電荷/磁矩的更深的本質隱藏在什麼地方，個人感覺這個問題還暫時沒有得到解決。

（！！！）電子是點粒子，沒有內部結構！沒有表面！沒有電荷分布！它也不是在繞自己的軸轉動，它就是有電荷！有自旋！有磁矩！量子力學就是這樣，這不是經典物理可以解釋的，請題主注意。凡是認為電子磁矩來源於自身電荷運動的理論都違反相對論，不能成立，上世紀30年代就全部被幹掉了。

3. 原子分子物理角度：這就是量子力學課本中一定要講的電子磁矩與軌道磁矩的關係，一個的來源是磁本身，另一個的來源是電生磁。這兩種效應等效，並且可互相疊加。但由於一個原子里有多個電子，而這些電子常常磁矩方向相反（泡利不相容），所以綜合下來一個原子看起來沒有多少磁性。

（題主的角度）

3. 凝聚態物理角度：這貌似是題主關心的問題，即，物質的宏觀磁性如何從微觀粒子的磁/電性質中產生。請注意，宏觀上表現出磁性的天然物質其實極少，純物質只有鐵鉻錳三種，再加上他們與其他元素的合金，氧化物，還有稀土類化合物。

為什麼多數物質不表現出宏觀磁性，因為由上分析，一個原子本身的磁性已經很少了，而在固體中，通常磁矩方向是無規則的，互相抵消掉了。（此處暫缺一圖）

以下內容暫時沒空寫，題主按這個順序 search 一下吧

3.1 順磁與反磁

3.2 磁疇與 Ising 模型

3.3 鐵磁與反鐵磁，磁滯回線

另外，磁性跟晶體/非晶體沒有關係！原子在固體中排列不規則不代表各原子的磁矩不能取同向，而且即使不能取同向取相近的方向也可以產生很大的磁性。

具有自旋自由度的電子關聯

物質產生磁性的機理主要分為兩類。

1. 運動的電荷產生磁場

不知題主是否想過這樣一個問題：我們說運動的電荷會產生磁場，但運動不是相對的嗎？如果我與運動的電荷以相同的速度運動的話，那麼在我看來，該電荷產生的磁場是否存在？如何解釋/調和這個問題的矛盾？

――――――――――――――――――

事實上，磁場與電場確實是同一種場！儘管在電磁學中，我們經常會將電和磁分開討論，初次聽說這個結論的人可能會有些不適應。

如何證明電場和磁場是同一種場呢？

如圖。

a 圖是導線外面有一個運動的負電荷。由於導線內的電流產生環形磁場，環形磁場作用到外邊的運動電荷上使運動電荷偏轉。

但看 b 圖。如果我們站在一個沿負電荷一起運動的參考繫上去看。這個負電荷就是靜止的了。靜止的電荷無法受到磁場的洛倫茲力。那麼要如何解釋粒子的偏轉呢？

答案是，當我們從一個參考系換到另一個參考系時，根據狹義相對論，相對運動方向的長度會縮短為

$L=L_{0} cdotsqrt{1-frac{v^{2}}{c^{2}}} .$

由於導線中傳導電流的電子與組成晶格的金屬原子相對參考系的相對速度不同。使得它們的尺縮效應也不同。於是它們分別尺縮之後導線的正負電荷就不能剛好抵消了。這樣在b圖的參考系下，導線上帶有一個由於相對論效應產生的等效電場 $extbf{E}_{ m{rel}} = extbf{v} imes extbf{B}$ 。計算可以發現這個電場對外邊電荷的作用力與a圖的洛倫茲力一模一樣。

此即電場和磁場的相對性。磁場就是電場的相對論修正！！！

2. 原子內部帶電粒子的運動產生磁矩

物質是由原子組成的，原子又是由原子核和圍繞原子核運動的電子組成。正像電流能夠產生磁場一樣，原子內部帶電粒子的運動也會產生磁矩：原子的磁性來源於原子中電子及原子核的磁矩。但原子核的磁矩很小，與電子磁矩相比可以忽略（相差三個數量級），而電子磁矩則包含了電子軌道磁矩和電子自旋磁矩。

在很多磁性材料中，電子自旋磁矩要比電子軌道磁矩大的多。這是因為在晶體中，電子的軌道磁矩要受晶格場的作用，不能形成一個聯合磁矩，所以對外不顯示磁矩，這就是一般所謂的軌道動量矩和軌道磁矩的「猝滅」或「凍結」。所以很多固態物質的磁性主要不是由電子軌道磁矩引起的，而來源於電子自旋磁矩。

原子之間相互接近形成分子時，電子云會相互重疊產生相互作用。由鄰近原子的電子相互交換位置所引起的靜電作用叫交換作用。電子的這種交換作用是會影響電子自旋磁矩以致影響物質宏觀磁性的。具體來說，當兩個原子臨近時，除考慮電子 1 在核 1 周圍運動，以及電子 2 在核 2 周圍運動外，由於電子是不可區分的，還必須考慮兩個電子交換位置的可能性，即電子 1 出現在核 2 周圍運動，電子 2 出現在核 1 周圍運動。由這種交換作用所產生的能量變化就叫做交換能，記作 $E_{ m ex}$ 。由量子力學可以得到：? $E_{ m ex}=-2J_{ m e}S_{1}S_{2}cos{phi}$ 。式中 $S_{1},S_{2}$ 為兩個電子的自旋量子數， $phi$ 為兩個電子的自旋磁矩方向之間的夾角， $J_{ m e}$ 稱為交換積分常數，它的數值大小及其正負取決於近鄰原子未充滿的電子殼層互相接近的程度。

四氧化三鐵內含有未成對電子而且交換積分常數為正，使得相鄰原子磁矩取向相同時能量最低，因此顯出宏觀磁性。

這種問題隨便查查資料比自己拍腦門狂想好太多了。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A3%81

追根究柢，磁有兩種源頭：

電流是一群移動的電荷。電流或移動的電荷，會在周圍產生磁場。

很多種粒子具有內秉的磁矩──自旋磁矩（spin magnetic moment）。這些磁矩，會在四周產生磁場。

對於磁性物質，磁極化的主要源頭是以原子核為中心的電子軌域運動，和電子的內秉磁矩（請參閱條目電子磁偶極矩（Electron magnetic dipole moment））。與這些源頭相比，核子的核子磁矩（nuclear magnetic moment）顯得很微弱，強度是電子磁矩的幾千分之一。當做一般運算時，可以忽略核子磁矩。但是，核子磁矩在某些領域很有用途，例如，核磁共振、核磁共振成像。
通常而言，在物質內部超多數量的電子，它們各自的磁矩（軌域磁矩和內稟磁矩）會互相抵銷。這是因為兩種機制：一種機制是遵守泡利不相容原理的後果，匹配成對的電子都具有彼此方向相反的內秉磁矩；另一種機制是電子趨向於填滿次殼層，達成凈軌域運動為零。對於這兩種機制，電子排列會使得每一個電子的磁矩被完全抵銷。當然，不是每一種物質都具有這麼理想的屬性，但甚至當電子組態仍有尚未配對的電子或尚未填滿的次殼層，通常，在物質內部的各個電子，會貢獻出隨機方向的磁矩，結果是這些物質不具有磁性。
但是，有時候，或許是自發性效應，或許是由於外磁場的施加，物質內的電子磁矩會整齊地排列起來。由於這動作，很可能會造成強烈的凈磁矩與凈磁場。
由於前面表述的原因，物質的磁行為與其結構有關，特別是其電子組態。在高溫狀況，隨機的熱運動會使得電子磁矩的整齊排列更加困難。

多用搜索引擎吧。

比如電子s=1/2，周圍會有一個磁場。然而電子自旋是狄拉克方程可以知道的，而狄拉克方程是相對論的量子力學。

那麼可以粗暴的這麼說：磁性的其實是一種相對論效應。

其實我很不喜歡本質一個詞。按照現在人的智慧，就別談本質了。會合理的描述大自然已經很厲害了。

磁性的本質就是電子的運動和自旋

說一個非常粗糙的理解，對於鐵磁性來說，可以這樣說，電子有兩種基本屬性；一種是電荷，另外一種是自旋。物質由原子構成，電荷的性質可以體現在介電性上，自旋則體現為磁性。當然由於電磁耦合，所以自旋和電荷也是有關係的。當然這個具體的理論了，有空詳細說說。

看了所有人的答案，無不是搬出各種原理和定義，搞得好像都很懂的樣子！但是還是沒有一個人弄明白題主的提問，沒有一個人從根本上說明白了磁到底是怎麼產生的，為什麼自旋會產生磁矩？

磁性產生的本質就是電子有自旋角動量和軌道角動量，從而產生自旋磁矩和軌道磁矩，所以任何物質都具有磁性，有些物質磁性強是因為內部有磁疇的存在，而且強磁加熱到居里溫度以上，磁性也會基本消失，變成順磁性物質

凝聚態物質中的磁性與題主理解的電生磁場不大一樣。電子的運動以及原子核對原子磁矩的貢獻是非常小的，原子磁矩的主要來源是電子的自旋（園外狼的回答中已經解釋得很清楚了）。而物質產生宏觀磁矩，還有一個重要因素就是交換作用（exchange coupling），它決定了物質中原子磁矩的排序方式，比如鐵磁序、反鐵磁序、螺旋磁序等等。所謂交換作用目前只是一個半經驗的說法，最經典最著名的應該算是伊辛（Ising）以及海森堡（Heisenberg）模型了吧，除此之外還有巡遊電子模型，RKKY模型，最近在自旋液體理論中比較火的Kitaev模型等等。總體來說這一塊內容比較複雜，而且尚未完善，但已經可以解釋目前發現的絕大多數磁性體系中的磁現象了。原子磁矩和交換作用並不是固體特有的，同樣可以存在於液體和氣體當中，只不過固體中更容易表現出穩定的磁序（宏觀磁矩）。

至於電子為什麼具有自旋，以及自旋為什麼會產生磁矩。這個問題目前就類似於為什麼存在萬有引力一樣，處於無解的狀態。其實電子自旋到底是什麼我們還摸不清楚，只不過能夠從其表現出來的某些現象中推測：「humm...電子在這裡應該有一個特殊的性質，就叫他自旋吧～」又或許我們永遠也無法摸清電子自旋的本質呢，量子力學不是已經給了嚴肅的決定論者們狠狠的一巴掌？「你看到的樣子只是你想要看到的樣子，至於我原本的樣子，你猜～」

以上都是我個人淺薄的理解，歡迎打臉～

從三個物理現象及簡單的實驗去推導。我認為磁力線應該是由未知的粒子組成。（1）將未磁性化的材料經過磁性化後，重量應該會增加。

（2）

（3）

本質是追根溯源，電磁有兩種性質，吸引與排斥，這兩種性質通過兩種粒子的傳遞得以體現，假設光子，中微子分別傳遞斥力，引力，則可通過光子，中微子的相互作用解釋電磁力的本質

這個問題還沒有蓋棺定論的理論可以解釋。

現在已經有啦~飛行員們都這麼做

費曼的講義上就提過，大家普遍認為的還是電的相對論效應吧，至於自旋磁矩目前大家都還沒想到它究竟來自於哪裡！

如果國內教材不是偽科學，如果科學無國界無政府主義，那麼…1電磁是導體分，原子電流！；鐵磁是分，原子電流！

和電子云有關，非超導的導體通電後，像動車組進入隧道，在導體內的外層形成環狀漩渦，所以直導線的電磁場是一圈圈的，和電阻概念有關，趨膚效應有關，趨膚：存在於非超導態任何導體，存在於直流，交流，和功率頻率成正比。

鐵磁也是物質構成，也有原子電子，如果波爾模型中的電子云從團狀(矢量和為零)變成層狀，這個原子就有原子電流，就有原子磁場，就是像個通電直導線變成O形效果一樣。多數原子相對規則的這樣呆著，且電子左右旋一致，層層平行，那麼如果它是銅也有磁性。

如果從層狀受更明顯外在干預成片狀…也許就是超導吧

未經授權不得轉載和盜用！！

你的提問證明了你的科學觀不嚴謹～自由電子如何繞核呢？導體導電是因它大量負電的自由電子和大量正離子態的原子均勻的陣距分布(動態的，能量差距極小的)

挖個坑爭取今年寫完