什么是磁矩产生的磁场在外加磁场中有了附加能量?

原子的轨道磁矩与轨道角动量
电子作轨道运动,产生轨道角动量
其轨道运动形成轨道磁矩

运动一周,经过的电荷量为,故,有

上式表明轨道磁矩(由于电子的轨道运动而形成的磁矩,故称为轨道磁矩)正比于轨道角动量,在同一条直线上,方向相反。其大小定义为
磁矩在磁场的作用下,一是受到力矩的作用,二是产生势能。对于力矩,有

上面的式子表明,磁矩或角动量在磁场的作用下,使得它们(角动量或磁矩)绕外场方向不断地旋转,但并不改变它们的大小。由于是角动量这一矢量绕外场旋转,这种旋转称为进动。为相应的角频率,很明显,B越大,角频率也越大,意味着角动量绕外场方向的旋转将更快。
这个角频率不同于自由电子进入均匀磁场中做圆周运动的角速度:对于在磁场中做圆周运动的电子,洛仑兹力=向心力,有

也就是说,自由电子进入均匀磁场中做圆周运动的角频率与轨道角动量绕磁场坐进动的圆频率是不相同的,不可混淆。
一个问题:没有外场时,角动量不会绕外场旋转,加了外场后,会有额外的能量使得角动量绕外场旋转,这能量由谁来提供呢?这是由外场来提供的。在外场B的作用下,磁矩具有额外的势能U。

对于轨道磁矩,,所以有

也就是说,越大,能量越高。如果是不均匀磁场,体系将会受到力的作用:

如果我们使得磁场只是沿z轴均匀变化,不随x和y方向变化,即,则

如果,则磁矩不受力,原子经过不均匀磁场时,将不会发生偏转,直接出去。
如果,那么,不同的值所受到的力的大小不同,发生的偏转也不同,那些原子经过不均匀磁场后,打在屏幕上,将会在不同的位置出现条纹。对于给定的一个,有个不同的值,也就是有个不同的位置出现条纹。
利用这个结论,可以通过屏幕上出现的条纹数目反推出量子数来。
上面就是施特恩-盖拉赫实验的原理。如果原子空间角动量是量子化的,应该在屏幕上出现分立的条纹。实验证实了这一点,而且还发现偶数条纹,从而提出自旋量子数的假设。

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   对顺磁质而言,虽然每个原子或分子有一定的磁矩,但由于分子的无规则热运动,各个分子磁矩排列的方向是十分纷乱的,对顺磁质内任何一个体积元来说,其中各分子的分子磁矩的矢量和 $\sum \mathbf{m}_{mole}=0$,因而对外界不显示磁效应.在外磁场 $\mathbf B_0$ 的作用下,分子磁矩 $\mathbf{m}_{mole}$ 的大小不改变,但是外磁场 方向相同时,能量最低.

   我们知道,介质中存在着大量原子或分子,由于这些原子或分子之间的相互作用和碰撞,促使分子磁矩 $\mathbf m_{mole}$ 改变方向,从而改变 $\mathbf m_{mole}$ 在外磁场中的能量状态.一方面,从能量的角度来看,分子磁矩尽可能要处于低的能量状态,即 $\mathbf m_{mole}$ 与外磁场方向一致的状态;另一方面,分子热运动又破坏了分子磁矩沿磁场方向有序排列.当达到热平衡时,原子或分子的能量遵守玻耳兹曼分布律,处在较低能量状态的原子数或分子数比高能量状态的要多,亦即其分子磁矩 $\mathbf m_{mole}$ 靠近外磁场方向的分子数较多.显然,磁场越强,温度越低,分子磁矩 $\mathbf m_{mole}$ 排列也越整齐,这时,在顺磁体内任取一体积元 $\Delta V$,其中各分子磁矩的矢量 $\sum \mathbf m_{mole}$ 将有一定的量值,因而在宏观上呈现出一个与外磁场同方向的附加磁场.这就是顺磁性的来源.

   应当指出,顺磁质受到外磁场的作用后,其中的原子或分子也会产生抗磁性,但在通常情况下,多数顺磁质分子的附加磁矩 $\sum \Delta\mathbf m_{mole}$ 比 $\sum \mathbf m_{mole}$ 小很多,所以这些磁介质主要显示出顺磁性.


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顺磁介质的磁化强度与什么有关?如何利用玻尔兹曼分布推导磁化强度公式?10月28日12时,《张朝阳的物理课》第九十六期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,先复习了玻尔兹曼分布公式与角动量量子化的内容,随后利用磁矩的势能公式计算出无轨道角动量的电子在外磁场中的能级。接着利用玻尔兹曼分布推导出磁化强度公式,并在弱场极限下对其展开,之后还将其扩展到任意角动量的情况。

课程开始,张朝阳先复习了玻尔兹曼分布的连续形式与量子形式,以及角动量的本征值的取值。接着考虑轨道角动量为0的电子情况,这时总角动量就是自旋角动量,根据磁矩的势能公式,可以计算出电子的能级,并且能级只有两个。能级的能量绝对值相同,但正负号相反,负能级对应磁矩向下,正能级对应磁矩向上。根据玻尔兹曼分布可以进一步求出电子处在每个能级上的概率,同时也给出了磁矩向上与向下的概率。

根据磁矩向上与向下的概率,可以计算出平均磁矩,将平均磁矩乘以单位体积内的粒子数,就得到单位体积内的磁矩,即磁化强度。张朝阳将磁化强度公式在弱磁场情况下进行线性展开,得到磁化强度正比于外磁场的形式,并定义玻尔磁子。不过现在的磁化强度公式只适用于无轨道角动量的电子,于是将玻尔磁子前的系数明显写成角动量平方的形式,最终扩展得到一般角动量的磁化强度公式,磁化强度随各种物理量的依赖关系与之前用力矩对顺磁介质的定性分析一致。

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播九十余期,内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。

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