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miaoskypop

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[交流] 【分享】磁化学

研究分子磁性与化学结构关系的物理化学分支学科。物质在磁场中显示出抗磁性、顺磁性和铁磁性，它们产生于组成物质的原子或分子中的电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和核自旋磁矩在空间的取向，以及各种磁矩间的相互作用。从分子的磁性及其变化规律出发，研究分子的价键性质、分子的电子组态、分子的结构、分子的空间构型、分子运动的力学性质、分子间相互作用、化学平衡及化学动力学等化学问题，统称磁化学。
磁化学的研究方法很多，常用的研究手段有磁天平、电子顺磁共振、核磁共振、铁磁共振、磁圆二色和磁旋光法等。其中核磁共振技术发展异常迅速，已成为鉴定有机化合物结构的重要手段。采用超导磁铁的脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪的出现，使仪器灵敏度及分辨率提高很多，应用范围从化学扩展到生物学及医学。核磁共振成像技术在医学上已经用于各种疾病的检查，是非常有发展前途的一种医学诊断方法。
电子磁矩
电子是发现较早的一种基本粒子，存在于原子核外。各种化学元素便是根据该元素原子的原子核中的质子数目，也就是该元素原子在非电离的正常状态下的原子核外的电子数目决定的。原子中的电子磁性是由电子的自旋产生的自旋磁矩和电子环绕原子核作轨道运动产生的轨道磁矩。对于不处于原子中的自由电子说来，就只有自旋磁矩，是电子具有的内禀磁性，常简称电子磁矩。一般电子学只考虑运动电子的电荷所产生的电流，但是在上个世纪(20世纪)末，由于现代磁学和高新技术的发展，诞生了磁学与电子学交叉的称为磁电子学、又称自旋电子学的新的交叉磁学或称边缘磁学。这样在磁电子学中电子电流和电子磁矩(自旋)都得到研究和应用。
电子磁矩研究的一项很重要又很有意义的成果是对电子磁矩的精密测量和理论计算。这表现在20世纪中期的30年研究中，对应用于电子磁矩与电子角动量关系的电子g因数的反常因数(简称g反常因数) α的精密测量和理论计算上。按早期的理论研究，g因素g=2，即g反常因数α=0，但是在长期的越来越精密的实验研究中却表明，α并不等于0，如表1中所示，在1948~1978的30年实验研究中，α的实验测量值从3位有效数字增加到10位有效数字。同时更值得注意的是，对g反常因数α的理论计算，在考虑了多种对电子磁矩的影响因素后，得到的理论计算值也达到10位有效数字和很高的精度(很低的不确定度)。还值得注意的是，g反常因数α的实验测量值和理论计算值在10位有效数字中竟有8位有效数字相同，这些都从表1中可以清楚地看出。总的说来，关于电子(自旋)磁矩的实验测量和理论计算达到这样高的有效位数，而实验测量值与理论计算值达到这样高的符合程度，在磁学和其他自然科学中都是非常罕见的。

表1 电子g反常因数α=0.5*(g-2)的实验测量值和理论计算
年代
α的实验测量值
α的测量不确定度

1948
119×10-5
±5×10-5

1948
116×10-5
±12×10-6

1952
1146×10-6
±5×10-6

1956
1168×10-6
±300×10-9

1958
1159660×10-9
±35×10-10

1971
11596567×10-10
±200×10-12

1976-1978
1159652410×10-12
±400×10-12

a的理论计算值1159652400×10-12
原子磁矩 magnetic moment of atom
原子内部各种磁矩总和的有效部分。原子核具有磁矩，但核磁矩很小，通常可忽略，原子磁矩则为电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和的有效部分。一般地原子磁矩μJ与原子的总角动量PJ有简单的关系，大小为μJ＝g(e／2m)PJ，方向相反，式中e／m是电子的荷质比，g称为朗德g因子，它可以根据原子中的耦合类型计算出来，是表征原子磁性质的量。原子磁矩在塞曼效应中起重要作用。
分子固有磁矩
一个分子中的电子的轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产生的自旋磁矩的总和就构成分子的分子磁矩,或者分子固有磁矩

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