磁性物質（Ⅰ）–反磁性、順磁性（Magnetic Material–Ⅰ）

磁性物質（Ⅰ）–反磁性、順磁性（Magnetic Material–Ⅰ）
國立臺灣師範大學物理系李聖尉碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

物質的磁性起源於物質內原子磁矩間之排列或交互作用所形成之巨觀現象，而原子磁矩主要來自三個原由：

1. 電子軌道（Orbital）磁矩：電子繞原子核公轉所產生的磁矩。
   
2. 電子自旋（Spin）磁矩：電子內稟所產生的磁矩。
   
3. 原子核磁矩 : 原子核內稟或相對電子公轉運動所產生的之磁矩，但原子核磁矩之值很小，相較於電子磁矩而言，可被忽略。
   

磁性物質的種類

在介紹物質磁性種類之前，需對磁參數有所認識，再來探討磁性分類。
當物質置於外加磁場 \(H\) 時，它的磁化強度 \(M\) 將會發生變化。兩者之間的關係可以下列公式表示

\(M=\chi H\)

\(\chi\) 稱為物質的磁化率（magnetic susceptibility），表示物質磁化難易的程度。物質依照其磁化率的不同及符號來區分，可以分成下列幾類[1]：反磁性（diamagnetism）、順磁性（paramagnetism）、鐵磁性（ferromagnetism）以及反鐵磁性（antiferromagnetism），此篇先就前兩者討論。

（1）反磁性（diamagnetism）

反磁性的磁化率 \(\chi\) 為一極小負值，通常在 \(-10^{-5}\) 左右。反磁性效應的發生，是由於電子軌道運動的結果。由於反磁性物質中每一個電子軌道上的電子都是成對的，亦即每一個軌道上都有二個自旋相反的電子，個別電子繞行原子核所產生的磁矩會相互抵消，因此使得反磁性物質本身並不具有磁性，且其淨磁矩為零。

當外加一磁場於此物質時，軌道上的電子會失去平衡，使電子的軌道角動量改變而產生一淨磁矩 \(m\)，由冷次（Lentz）定律，此淨磁矩的方向應與外加磁場的方向相反。反磁性效應在所有的物質中都會發生，只是程度不同。對於同時擁有其他磁性性質的材料來說（如鐵磁性和順磁性），反磁性幾乎可以忽略不計，故被稱反磁性的材料一般以非磁性物質看待。由於感應磁矩與原子的方向無關，因此熱擾動並不影響反磁性的感磁率，因此其磁化率與溫度無關。

（2）順磁性（paramagnetism）

順磁性的磁化率 \(\chi\) 為很小的正數，通常在 \(10^{-3} \sim 10^{-6}\) 之間，與反磁性一樣為弱磁性，但其磁化方向與外加磁場相同。構成順磁性的原因是因為原子或分子內有不成對電子出現，使順磁性物質中每個原子的淨磁矩並不為零，但由於原子與原子之間的磁矩方向不一而互相抵消，所以整體而言順磁性物質的淨磁矩為零，而不具有磁性。

當外加一磁場時，這種不成對的電子易受外加磁場的影響而旋轉，使這些原子磁矩順著外加磁場方向而排列，因而產生了與外加磁場方向相同的淨磁矩。此淨磁矩會受熱擾動影響，而使得原子磁矩的排列受到破壞，因此其磁化率與溫度有關[2]。

參考資料：
[1]  B.D.Cullity（1972），Introduction to Magnetic Materials，Addison Wesley，New York。
[2]  C.Kittel（1997），Introduction of Solid State Phys，7th ed，John Wiley & Sons inc，New York。