磁铁以及磁化等原理
引言
最近在看关于量子力学的书，也是被迫无奈，自从与两久违的朋友开启了“卡在烧杯里的猫”这个有关化学科普的项目，看书变成每日必干的事。当和他们交谈中，提到了电子的自旋这一概念，不禁想研究一下磁铁产生磁力的原因是否和电子的自旋有关，而或者是其他原因。
真的是遇事不决，量子力学。笑
其中涉及到的知识内容
- 自旋概念
- 构造原理(Aufbau principle)
- 洪特法则(Hund’s rules)
- 泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)
- 磁性分类
- 磁畴
核外电子的分布与净剩自旋
物质在微观原子层面上来看，原子是由原子核和核外电子构成的。而原子核的自转而使带正电荷的质子移动，电子绕原子核转以及电子的自转，都可产生电流，从而分别产生核子磁矩，轨域磁矩和内禀磁矩（内旋磁矩）。
而原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，所以质子的磁力比电子的磁力要弱1000倍左右，因此原子核的磁力对原子整体的磁力几乎没有影响，可以忽略不计。又由于遵循三个定理，构造原理(Aufbau principle)，洪特法则(Hund’s rules)和泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)。所以形成一种机制，匹配成对的两个电子的内禀磁矩方向相反且电子趋向于填满次层，达成净轨域运动为零。（选修二化学的基态原子的核外电子排布规律）[1] [2]
如上图表[3]
- 惰性气体（ⅧA）的核外电子都恰好是全部成对的，因此不可能有净剩自旋
- 主族元素（ⅠA～ⅫA）虽然都有未配对电子，但在形成化合物时，这些电子一般都会成为价电子参与配对成键，因而也大都不具备明显的磁性
- 只有过渡族元素具有非价电子的净剩自旋，因而也就是不同材料中磁性的主要承载者
但是不是所有拥有净剩自旋的电子的粒子构成的物质就现磁性。
比如：Cr [Ar]4s1 3d5
铬有六个可净剩自旋的电子，但整体纯净铬单质不显磁性，这就是下面要讨论的磁性的分类。
磁性的分类
上图所示，磁铁的磁性可被分为五个主要类型，分别为顺磁性(Paramagnets)，抗磁性（反磁性）(Diamagnets)，铁磁性(Ferromagnets)，反铁磁性(Antiferromagnets)，亚铁磁性(Ferrimagnets)。
在显示磁性时，
- 顺磁性物质，亚铁磁性物质和铁磁性物质会被磁力强的区域吸引；
- 抗磁性物质则会被磁力弱的区域吸引；
- 反铁磁性物质不受磁场影响；
- 还有些与磁场的关系更复杂。[1]
铬单质就是一种反铁磁性，即遇外界磁力场也无动于衷，不显磁性。
磁畴的成原因
在铁磁性物质内部，单个原子就好比一个单个小磁铁，而临近其原子且磁力矩的方向均平行，则这一块由同磁力矩组成的原子部分称为一个磁畴(megnetic domain)，可用磁力显微镜观察到磁畴。
磁化的原因
如下图(a)，每一个小单元就是一个磁畴。整体上来看整个磁铁上每一个磁畴的方向不一致，而且这些“小磁铁”的“磁力”矢量之和为0，所以整个磁铁不显磁性。[4] [5]
如下图(b)所示，当外届有强磁力H时，每个磁畴就如同军队中，排长一声口令，各个队员齐刷刷地从无序到有序排列整齐，方向与H一致。
结尾
2300年前，中国人利用磁石发明了司南，很可惜磁石的研究是20世纪才开始的。可笑的是，当一个小孩拿着一节磁石，撒着鼻涕，捧着在面前，问磁石产生磁性的原因时，大人也不会去深究一下，只会觉得小孩的问题过于荒诞，而一笑了之。
小小作文，不容易，有错勿喷，偷偷在下面告诉我，满满的求生欲。笑