磁性的本质是什么，或者怎么从微观角度解释磁性产生的原因?

磁性的本质是什么，或者怎么从微观角度解释磁性产生的原因?

开个新坑，争取有生之年完成：

作为一种物理场，磁场是看不见、摸不着但又客观存在的特殊物质。它是磁性相互作用的媒介，有点神秘但却实实在在影响着我们的生活。而题主的困惑来源于我们对磁性产生原因的混淆。磁场的产生可以分为两大方面（如图1所示）：1、以运动电流为基础；2、以基本粒子的量子特征—自旋为基础。我们需要将这两部分独立进行阐述。题主所说的“高中我们就学习过，变化的电场周围会产生磁场”正是第一种起源，而题主接着提到的“比如非晶体中的磁性，另外有些晶体材料同样不具备明显的磁性等等”尽管不对，但其实指的就是第二种起源。

Source：electromagnetism

图1

1. 我们大家最耳熟能详的第一个原因就是“运动电荷产生磁场”。其来自于法拉第的电磁感应定律，只要记住了就行。但如果非要问个为什么，由于电磁方面的高手很多我就不班门弄斧了，大致的说说就是：电场和磁场是电磁张量的两面，它们之间相互关联。当由于参考系不同而使得观察者和电荷之间的相对速度改变时，电磁张量就可能劈裂成了移动电荷所产生的电场和磁场。（参考Magnetic field）

2. 我想多说的是第二个起源：以自旋为基础的铁磁性物质中的磁性。

首先，需要澄清一点。由于自旋是一些构成物质基本粒子（例如电子）的本质特性（如图2）因此，从理论上来说，所有的物质都有“磁性”。不同的是，不同物质所表现出的磁性种类不同（如图3）。而我们一般所说的“磁铁”，主要是指具有独立（无外场时）提供磁能（磁场）的“铁磁性物质”，也就是永磁体。这就是我们所要讲的重点。

图2 （source：

）

图3 （侵删）

其次，由于构成原子核的微观粒子的磁矩要远小于其外部的大量电子的磁矩。因此，我们主要考虑核外电子对磁性的贡献。下面就进入正题：

第一步：核外电子的分布与净剩自旋

核外电子的分布核心是能量的区别。不同的壳层（K、L、M、N等）以及不同的“轨道”（s、p、d、f等）定义了具有不同能量的电子状态。电子占据这些状态的时候需要遵从以下规则：

构造原理（能量最低法则

）：就是电子先占据能量低的轨道，然后没地待的时候再去占据新的能量更高的轨道，图4给出了直观的电子轨道能量关系和排布规律。

图4 （source：

）

泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）运用到我们的问题中时，简言之就是在同一个轨道上最多只能有两个自旋方向相反的电子存在。这样一来，凡是占据了两个电子的轨道，其自旋相互抵消，对磁矩的贡献也就为零。如图5，例如对于C原子来说，它的所有轨道上只有2p轨道具有一个“不成对”电子，因而也就有一个净剩自旋。

洪德法则（

）简单说就是，一个轨道上一般都有几个“兼并能级”，例如图5中的2p轨道有3个能量一样的兼并能级。在这种情况下，电子先一个萝卜一个坑把所有的都占一遍，如果还剩电子，才会一个配一个的占满这些能级。

图5 （侵删）

基于这些规律，我们会发现一个有趣的事实：在元素周期表中

1. 惰性气体（ⅧA）的核外电子都恰好是全部成对的，因此不可能有净胜自旋；

2. 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；

3. 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。

第二步：分子场与自旋劈裂

第三步：交换作用与磁矩排列

第四步：自发磁化与磁畴

第五步：各向异性与磁硬化

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暂时填到这，好后悔