抗磁性

抗磁性（Diamagnetism，亦作反磁性）是一些类别的物质，当处在外加磁场中，会对磁场产生的微弱斥力的一种磁性现象。抗磁性的成因，是当物质处在外加磁场中，外加磁场使得物质电子轨道（更精确的讲法：轨域）运动产生改变的连带效应。当施加一外源磁场B时，会对运动中的电子（电荷q）产生了磁力F：F = qv × B。此力改变了电子所受的向心力，使得电子轨道运动或是加速，或是减慢。电子速度因此受到改变，而连带改变了其与外加磁场相反方向上的轨道磁矩。考虑两个电子轨域：一个顺时针运动，一个逆时针运动。一进入页面方向的外加磁场会使顺时针转动电子的向心力增加，而使其自页面出来方向上的磁矩增加。同样的外加磁场则会使逆时针转动电子的向心力减少，而使其进入页面方向上的磁矩减少。两者的改变都与进入页面方向的外加磁场相抗衡。然而，外加磁场对于多数日常物质所感生的磁矩却非常小，因此净效应会是一种斥力。所有物质都会对外加磁场作出不同程度的抗磁性反应；但是对于同时拥有其他磁性性质的材料来说（如铁磁性和顺磁性），抗磁性可以完全忽略不计。那些仅仅或者很大程度显示抗磁性的物质被称之为抗磁性材料或者抗磁性子。那些被认为具有抗磁性的材料通常被非物理学家作为非磁性物质看待。它们包括水，DNA，绝大多数有机化合物如石油和一些塑料，和金属如水银（元素），金和铋。尽管物质抗磁性本质上是量子效应，但通过纯经典的朗之万抗磁性理论可以获得一致的解释。朗之万抗磁性理论可用于解释闭壳层原子构成的物质的抗磁性。强度 B {displaystyle B} 的磁场作用在电荷量为 e {displaystyle e} 质量为 m {displaystyle m} 的电子上，电子受洛伦兹力作用将进行频率为 ω = e B / 2 m {displaystyle omega =eB/2m} 的拉莫尔进动。单位时间内转动速度为 ω / 2 π {displaystyle omega /2pi } ，含 Z {displaystyle Z} 个电子的原子所产生的环状电流为（采用国际单位制）环状电流产生的磁矩等于电流强度与闭合环包含的面积。假定外场沿 z {displaystyle z} 轴方向。平均的环内面积为 π ⟨ ρ 2 ⟩ {displaystyle pi langle rho ^{2}rangle } ，其中 ⟨ ρ 2 ⟩ {displaystyle langle rho ^{2}rangle } 为电子到 z {displaystyle z} 轴的均方距离。可知磁矩为若电荷分布呈球对称，可设 ⟨ x 2 ⟩ = ⟨ y 2 ⟩ = ⟨ z 2 ⟩ = ⟨ r 2 ⟩ / 3 {displaystyle langle x^{2}rangle =langle y^{2}rangle =langle z^{2}rangle =langle r^{2}rangle /3} ，其中 ⟨ r 2 ⟩ {displaystyle langle r^{2}rangle } 为电子到核的均方距离。则 ⟨ ρ 2 ⟩ = ⟨ x 2 ⟩ + ⟨ y 2 ⟩ = ( 2 / 3 ) ⟨ r 2 ⟩ {displaystyle langle rho ^{2}rangle =langle x^{2}rangle +langle y^{2}rangle =(2/3)langle r^{2}rangle } 。 若 N {displaystyle N} 为单位体积原子数，抗磁性磁化率为因为金属中含非定域电子，朗之万理论不适用于金属。自由电子气的抗磁性理论被称为朗道抗磁性理论，它包含了洛伦兹力下电子轨线被曲化后形成的弱反作用场。朗道抗磁性应当与泡利顺磁性相区别，后者与非定域电子自旋的极化相关联。虽然早在1778年，S. J. Brugmans就发现了金属铋和金属锑在磁场中存在某些抗磁性现象。但是直到1845年9月，迈克尔·法拉第发现在外在施加磁场中，所有天然物质拥有不同程度的抗磁性，抗磁性这个词才正式在文献中使用。