一磁
1.1磁现象
磁极吸引铁、钴、镍等物质的性质，称为磁性；物质磁性最直观的表现是两个磁极或磁极与磁性物质之间的吸力或作用力。
磁极上磁性最强的部份称作磁体，如n极两端的磁力最强，为n极的两极；才能自由转动的磁极，比如悬吊着的n极，静止时手册的那种磁体称作北极(S极)；指北的那种磁体称作南极(N极)；迄今为止，发觉的磁极上都有两个自由磁体的存在。
图1.1悬吊的n极
磁体间互相斥力特点：同名磁体相斥、异名磁体相吸。
1.2磁现象的发觉
天然磁铜矿分布广泛，5000年前人类就发觉了具有强磁性的天然吸铁石(Fe3O4)；2300年前中国人将天然吸铁石磨成勺型置于光滑的平面上，在地磁的作用下，勺柄手册，曰“司南”，这就是世界上第一个手册仪；1000年前中国人用吸铁石与铁针磨擦磁化，制成世界最早的手册针；900多年前中国人将吸铁石针和方位盘联成一体，成为吸铁石式手册仪，用于航海。
图1.2天然磁金矿
1.3磁现象的描述
磁体之间能发生互相作用，是因为在磁体的周围存在着磁场，磁极周围磁场的分布可由磁力线来表示。
磁场：磁极、电流和运动电荷周围空间的一种客观存在的特殊形态的物质，是一种矢量场，在空间里的任意位置都具有方向和数值大小；处于磁场中的磁性物质或电压，会由于磁场的作用而感遭到磁力。吸铁石与吸铁石之间，通过各自形成的磁场，相互施加斥力和扭矩于对方。
磁力线：用以形象地描画磁场分布的一些曲线。早年，法拉第曾在玻璃板上洒布铁粉，并轻轻敲打使板震动，则铁粉联成许多细小线段，因而显示出永久吸铁石或电压导线周围的磁场分布。这是因为铁粉在磁场中受力并相互吸引而产生的，所以称为磁力线。为此，磁力线可以定义为磁场中一些假想的线。一般用磁极吸引铁屑的情况来表征磁力线的明暗，用磁力线的明暗程度表现磁场的大小。
磁力线有以下特性：1.总是从N极出发步入与其最临近的S极并产生闭合回路(吸铁石内部由S极致N极)；2.总是走磁导率最大的路径，因而磁力线一般呈直线或曲线，不存在呈直角转弯的磁力线；3.任意两条同向磁力线间互相抵触，因而不存在相交的磁力线。
图1.3磁力线
1.4磁性的来历
1.4.1磁荷观点
人类发觉磁现象要早于电现象；最早发觉磁现象就是从吸铁石开始的，吸铁石有N/S两极，人们假设：在一根磁棒的两极上有一种称作“磁荷”的东西，N极上的叫正磁荷，S极上的叫负磁荷；同号磁荷相斥，异号磁荷相吸；后来才发觉电现象也有类似情况。
磁单极粒子理论：磁单极子磁荷，是磁单极子的基本量化单位。现代数学研究的一部份科学家觉得，自然界存在携带最小电荷量的基本磁粒子。不过因为磁学量不如热学量的检测这么直观，在目前的实验中仍未观测到这些粒子。自该理论提出以来迄今磁矩方向，已逾半个多世纪，常年不能被否认，也不能被否定。
1.4.1.1磁库伦定理
点磁荷：自身的几何线度远大于它与场点之宽度离的磁极。一根狭长n极两端的磁荷就可以看作是点磁荷。
早在得到电荷的库伦定理之前，库伦就通过实验方式得到了两个点磁荷之间互相作用的规律，即磁库伦定理：
图1.4点磁荷间的受力
若点磁荷在真空中，磁库伦定理又可叙述为：
1.4.2电压观点
1.4.2.1磁荷观点的瑕疵
磁荷理论有两点严峻瑕疵。第一，目前实验中仍未观测到磁单极粒子的存在，如将吸铁石切为两半，并不会导致两个分离的磁体，所得到的两个分离的吸铁石，每一个都有自己的手册极和指南极。第二，该模型不能解释电场与磁场之间的奇特关系。
图1.5吸铁石切分
1.4.2.2电压磁效应的发觉
奥斯特在1820年4月的一次演讲中，偶然在南北方向的导线下边放置了一枚小n极。当电源接通时，小n极竟然转动了，这个现象使他激奋。此后的实验证明，电压的确能使n极偏转，这些作用称为电压的磁效应。
宏观上的电压可以形成磁场，同样的，对于微小电压回路也可以形成微小的磁场；
磁偶极子：具有等值异号的两个点磁荷构成的系也称为磁偶极子，但因为没有发觉单独存在的磁单极子，因而使用一段闭合回路电压来表示微小磁极形成的磁场；磁偶极子的数学模型是一段封闭回路电压。
图1.6闭合电压形成的磁矩
1.4.3原子磁矩
原子磁矩：物质的磁性是组成物质的基本粒子的磁性的集体反映。物质是由分子组成，分子由原子组成，原子由电子和原子核组成，电子因其轨道运动和载流子效应而具有轨道磁矩和载流子磁矩。原子核具有核磁矩，但其值仅为电子磁矩的1/1836，几乎对原子的磁矩无贡献。这样，原子的磁矩主要来始于原子中的电子，可看作由电子轨道磁矩和载流子磁矩构成。
1.4.3.1原子核外电子排布规律
电子既是粒子也是波动，每位电子在原子中的位置和能量由一组4个的量子数n决定，它拿来描述不同的原子轨域，原子轨域是电子可能在一个区域被发觉的概率；有着不同形状的s/d/p/f轨域；这种轨域形状不是电子，而是电子在空间中可能出现的位置；每位轨域最多可以容纳两个电子；原子拥有越多电子，它就须要更多轨域来容纳所有的电子。
图1.7部份轨域形状
1.电子的量子数
每位电子的空间运动轨道及载流子状态由四个量子数确定：
(1)主量子数n
它可以是任何的正整数，代表了电子的能阶；每位轨道就会有一个n值，n值越大，它就离原子核越远，能量越高；
图1.8主量子数n
(2)角量子数l
l值描述的是轨域的形状；它可以是0到n-1之间的任何整数，即0,1,2，…,n-1，相应的符号是s,p,d,f,…;n相同，l不同的状态称为电子亚层l越大，电子能量越高；如n=3，有l=0,1,2三个亚层，用3s，3p和3d表示；
当l=0时，描述的是球状的s轨域，这个轨域只有一个能阶；当l=1，描述的是杠铃形的p轨道，分别朝着三个轴向外延，每位能阶中有三种轨域；当l=2时，描述的是d轨域，有五种轨域；当l=3，描述的是f轨域，有七种轨域；
（3）磁量子数m
规定电子运动状态在空间伸展的取向。m的数值可以取0，±1，±2，……±l。对某个运动状态可有2l+1个伸展方向；这个量子数决定每位能阶有多少种的轨域，因而它具体描述了一个特定组合的轨道。
图1.9量子数及对应的轨域
（4）载流子量子数m
电子载流子运动有顺秒针和逆秒针两种方向，分别用m=+1/2或-1/2表示，常用↑和↓符号表示。
量子数n,l,m确定电子空间运动轨道，称为原子轨道，其中n表示基态；l表示轨域类型；m表示一组类型的轨域中具体的轨域；m确定电子载流子的方向。
2.电子排布遵守的几个原理
（1）泡利不相容原理：不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数，或则说在轨道量子数m，l，n确定的一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的载流子方向必须相反。
（2）能量最低原理：若干粒子在一起，能量最低的状态是最稳定的平衡态。核外电子的排布也遵守这一规律。能级多电子原子核外电子排布时总是先抢占能量最低的轨道，当低能量轨道占满后，才排入高能量的轨道，以使整个原子能量最低。
（3）洪德法则：未满壳层的电子载流子排列：电子因为库仑抵触而倾向于取不同轨道，而原子内的载流子-载流子间的互相作用使载流子平行排列，因而总载流子S取最大值。每位电子的轨道矢量的排列：电子倾向于同样的方向绕核旋转，以防止紧靠而降低库仑敌视能，使总的轨道角动量L取最大值。
n,l,m表征的一个电子轨道上假如有两个电子，即使她们的载流子是相反的，但静电的库仑敌视势仍使系统能量增强，因此一个轨道倾向只有一个电子抢占。
（4）递建原理（）：电子会循序先步入较低能阶的轨域，其次再填入能阶较高的轨域，即整个体系的能量越低越好。通常来说，新填入的电子都是填在能量最低的空轨道上的。对多电子原子而言，轨域能阶由低至高的顺序为：1s
举例：以17个原子的氯原子为例
1s轨道得到两个电子，一个上载流子，一个下载流子；之后2s，2p，3s；最后剩下五个将填入3p轨道，根据洪德法则，在轨域中排有同样能量的电午时，要先以同样的载流子形式排完再考虑另一种载流子形式：
图1.10氯原子的核外电子排布
3.顺磁性（）和抗磁性（）的确定
（1）顺磁性：原子的轨域图中具有不成对电子的原子，此种原子会遭到磁场的吸引，因而表现出一定的顺磁性。
图1.11顺磁性
（2）抗磁性：全部电子都成对的原子则是反磁性的，不遭到磁场影响。
图1.12抗磁性
1.4.3.2电子轨道磁矩
1.一个电子的轨道磁矩：
在原子的精典波尔模型中，电子以一定速度绕原子核做圆周运动；现讨论一个电子绕原子核作圆周运动的情况：
图1.13精典波尔模型
电子所带电荷为e=-1.6×10（库仑），质量为m=9.11×10kg（0.51MeV/C）
假定直径为r，运动角速率为w，则运动周期T为
按照上节描述，原子内的电子轨道运动是量子化的，因而其角动量也是量子化的，角动量由角量子数l来确定，按照实验及理论结果，角动量p的绝对值为
其中μB定义为玻尔磁子，是原子磁矩的基本单位
2.多个电子的轨道磁矩
电子轨道磁矩方向：假若原子中存在多个电子，则总轨道磁矩等于各个电子轨道磁矩的矢量和，总轨道磁矩大小为：
L为总轨道角量子数，它是l值按一定规律的组合，例如对于两个电子的情况，L=l+l,l+l-1……,|l+l|
在塞满了电子的壳层中，电子的轨道抢占了所有可能的方向，即mL的取值可以为0，±1，±2……±L，为此合成的总轨道磁矩等于0，估算原子的总轨道磁矩时，不考虑塞满的外层电子的影响，只考虑未塞满的这些壳层中电子的贡献。
1.4.3.3.电子载流子磁矩
1.电子载流子的发觉
施特恩-格拉赫实验：1920年，奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫发觉，银原子蒸气通过两条缝隙后，经过一个真空的不均匀磁场，最后在底片上产生两条白斑，表示银原子经过不均匀磁场区域时分成了两束。电子在轨道上绕行，按照上节的描述，原子只考虑轨道磁矩的话，取值应为质数种可能，也就是说应当分成奇数束。为了解释这一现象，引入了电子载流子的概念。
图1.14施特恩-格拉赫实验
2.电子载流子的特征
乌伦贝克最初提出电子载流子概念具有机械的性质，觉得与月球绕太阳的运动相像，电子一方面绕原子核运动磁矩方向，一方面又有自转。但此种说不创立：1.迄今为止的实验未发觉电子有规格下限；2.构想电子为均匀分布的电荷小球，若要它的磁矩达到一个玻尔磁子，则其表面旋转速率将超过光速，与相对论矛盾。
电子的载流子并非精典的旋转概念，而是电子（严格说是基本粒子）的内秉属性（固有属性），也就是电子自带的基本属性，就如电荷、质量一样；之所以称作载流子，是由于这个概念和精典的旋转，有一些相像之处，但二者有着本质的区别。
假如一个原子具有多个电子，则总载流子磁矩是各电子载流子磁矩的矢量和。
在塞满电子的壳层中，各电子的载流子磁矩互相抵消。为此，但凡满电子壳层的总磁矩都为零。只有未塞满电子的壳层才有未成对的电子磁矩对原子的总磁矩作出贡献，因而，这些未塞满电子的壳层俗称为磁性电子壳层。
1.4.3.4.原子磁矩
引入原子弱冠量子数J，它是由电子总轨道角量子数L与总载流子量子数S的合成，但是在外磁场作用下，载流子磁矩只可能与轨道磁矩平行或反平行。
按照洪德法则及系统能量最低原理，当磁性电子壳层电子数大于最大数量的一半时，载流子角动量与轨道角动量反平行能量最低，此时J=L-S；当磁性电子壳层电子数小于最大数量的一半时，具有正载流子的电子总轨道磁矩为0，残存的轨道角动量L来自具有与总载流子S方向相反的负载流子的电子，此时J=L+S。
图1.15原子磁矩
原子磁矩的绝对值为
好多磁性材料中，电子载流子磁矩比电子轨道磁矩大，由于晶体中电子的轨道磁矩遭到晶格场的作用，不能产生一个联合磁矩，对外没有磁矩，即轨道磁矩的“冻结”，所以好多固态物质的磁性主要来始于电子载流子磁矩，并且稀土元素未满电子壳层遭到临近电子层的屏蔽，轨道磁矩未被“冻结”，因而原子磁矩较通常原子大。