粒子层面的磁性

自旋究竟是什么

电子、质子、中子和夸克都拥有自旋——一种量子化的、内禀的角动量。这个名字容易让人误解： 据目前所知，电子是点状粒子，并不像经典意义上那样"旋转"——它根本没有可供旋转的空间广延。 自旋其实是一种与质量或电荷一样固定归属于粒子的属性——对电子而言，自旋值永远精确地是±½ （以ħ为单位），无论如何测量都不会改变。

这一现象于1922年在斯特恩-格拉赫实验中被发现：一束银原子被送入一个非均匀磁场。按照经典理论， 由于原子取向应当是随机的，本该观察到一个连续的光斑。然而实际观察到的却是恰好两个 彼此分离的光斑——这是自旋（以及由此产生的物质磁性行为）是量子化的、相对于外场只能取两种取向的 第一个直接证据。

自旋如何产生磁场

由于电子带电，其自旋——即内禀角动量——会自动产生一个磁偶极矩，完全不需要任何实际的运动。 这个磁矩的大小取决于所谓的g因子，电子的g因子并非精确为2，而是2.00232—— 这一微小偏差正是量子电动力学的一项预言，也是整个物理学中验证最精确的数值之一。

除自旋外，电子绕原子核的运动也会贡献磁矩（轨道磁性）——不过对大多数原子而言， 自旋贡献占主导地位。一个原子作为整体是否对外表现出磁矩，取决于各个电子磁矩之间如何叠加。

为何有些物质对磁场有反应，有些则没有

一个原子是否具有净磁矩，由泡利不相容原理决定：同一轨道中的两个电子必须具有相反的自旋， 它们的磁矩正好相互抵消。电子壳层完全填满的原子——所有自旋都已配对——对外不表现磁矩。 而含有未配对电子的原子则拥有真实的磁矩，尽管通常很弱。

磁性的三种基本类型都建立在这一简单区分之上：

为什么偏偏是铁具有铁磁性

一个铁原子拥有四个未配对的3d电子——根据洪特规则，电子会先尽可能多地单独占据不同轨道， 然后才会配对。单凭这一点只能解释顺磁性，而其他金属同样具有顺磁性。真正特别之处在于 相邻铁原子之间的量子力学交换相互作用：恰好在铁的原子间距与3d电子组态下， 这种相互作用在能量上更青睐相邻自旋平行排列，而非反平行排列。在居里温度 （770 °C）以下，相邻原子因此会自发排列整齐——完全不需要外加磁场。

然而一块未磁化的铁通常对外并不表现出磁性，因为它会分裂成许多微小的 磁畴（外斯畴）：在每个磁畴内部，所有磁矩都完美地平行排列， 但磁畴之间的取向是随机变化的，因此各磁畴的贡献在平均意义上相互抵消。外加磁场会使 取向有利的磁畴不断长大、侵占其他磁畴（磁畴壁发生移动）——材料因此被磁化， 其中一部分定向排列即便在撤去磁场后也可能保留下来，形成剩磁：也就是永磁体。

粒子磁性在实践中的用途

从医院到硬盘驱动器——对单个粒子的自旋和磁矩加以利用，是许多技术的核心， 尽管这些技术乍看之下与粒子物理毫无关系。