空间量子化与磁性的起源与特征

1、空间量子化与磁性的起源与特征空间量子化系列论文之七摘要：奥斯特（h.c.oersted）发现电流的磁效应后，安培（a.m.ampere）敏锐地抓住一切磁现象起源于电荷运动这一本质特征，揭示了电流磁作用的基本规律。在解释磁性起源时，安培提出了分子环流的假说。这一光辉思想经受了时间的考验，我们对磁性起源的分析正是从分子环流开始的。所不同的是，我们要在量子空间的背景上，揭示磁作用的空间特征，揭示安培定律、洛伦兹（h.a.lorentz）力、法拉第（m.rardady）定律诸基本规律的深层原因。从而对磁荷、磁性这一基本物理量、物理概念给出新的解释。关键词：空子、量子空间、涡旋场、旋张场、旋缩场、磁性的

2、起源、磁偶极子、磁单极子、电荷的相对性。一磁性的起源让我们回到玻尔氢原子模型上来。在分析电性起源时，指出电中性氢原子电子自旋角动量同核自旋角动量反向。由电子轨道运动产生磁矩，且与轨道角动量反向这一特征知，电子轨道运动对轨道轴线两端量子空间作用效果不同。而总与反向的原因，与电子自旋截面与轨道截面的夹角有关。如果因为某种原因（如原子处于外磁场中），电子自旋角动量向运动后方偏转，自旋与轨道运动构成左手螺旋系时，中性原子则转化为磁偶极子。磁偶极子n极的方向同反向。图（71）磁性起源示意图说磁偶极子荷有磁荷是指轨道内侧空子受运动电子定向自旋的作用，在与轨道平面正交的方向上（即的反方向）形变、位移的效应。

3、电子自旋与轨道运动成左手螺旋系偏转后，在轨道内外两侧，电子自旋切向作用处处与轨道平面正交，轨道内侧空子受与反向的旋切作用，球体状的空子沿反向被旋切作用拉长，呈扁平状，当轨道内侧空子呈现出这种形变特征时，我们说原子则荷有磁荷。尽管与核自旋角动量可能有同向、反向两种基本取向，因总与反向，这一基本事实表明电子自旋偏转总同轨道运动成左手螺旋系。图（71）为与反向时原子磁性示意图。电子旋张场的涡旋方向在轨道内侧沿方向，在轨道外侧沿方向。电子瞬间绕核一周、轨道两侧量子空间均受这种反向的作用。在轨道内侧空量子沿方向位移、形变，沿方向被拉长，呈扁平状。在轨道外侧空量子沿方向位移、形变，呈扁平弦状，如图中虚实小

4、圆所示。这就改变了中性原子内量子空间的特征，使中性原子转化为磁偶极子，其n极的方向为轨道内侧空子位移、形变的方向，同反向。在轨道外侧，磁偶极子磁性的方向同内侧反向，其平均强度远小于内侧，故磁偶极子磁荷量主值为轨道内侧的磁荷量。磁偶极子的磁荷量（轨道磁矩）刻画轨道内侧空子沿相反方向形变、位移的强度。因电子旋张场并不随电子离开轨道上某一确定点而随之同时消失，同粒子引力场的叠加相仿，运动电子的涡旋场在轨道上处于叠加状态。该叠加状态的强弱同电子轨道运动的速率成正比。图（72）磁矩示意图另一方面，运动电子旋张场沿轨道切线传播，对于圆周运动的电子，在自身旋张场中运行的路程，或者说旋张场叠加的强度又同轨道的

5、曲率半径相关，轨道半径愈大，叠加愈强，如图（72）所示。因与为独立的因素，则运动电子旋张场叠加强度同的积成正比。考虑到电子旋张场于轨道内外两侧作用相等，若以磁矩表示轨道内侧受电子旋张场作用的强度，选择比例常数，则 （71）式中a为电子轨道面积，当我们以ia规定为磁壳的磁矩时，取式中的k为1，于是可得 （72）磁偶极子由与轨道运动成左手螺旋系偏转的电子旋张场所激发，邻域空子的形变特征为，沿轨道轴线方向伸长，中心向n极方向偏移，沿轨道截面，空间向轨道中心收缩，有沿轨道截面向外围空间回复性扩张的趋势。图（73） 宏观磁场量子空间示意图二宏观磁体的磁作用宏观磁体由原子磁偶极子构成，在宏观磁体中金属原子

6、的外围电子自旋与轨道运动成左手螺旋系时，原子实同外围电子就如图（71）所示的氢原子那样，转化为磁偶极子。在宏观磁体中，磁偶极子取向同一，呈现出有规则的排列。而宏观磁体的磁场乃全体磁偶极子磁场的矢量合，如图（73）所示。由磁偶极子磁场的特征知，宏观磁体磁场的方向为由n极穿出，由s极穿入，环磁体呈闭合状。宏观磁体邻域空间呈现出沿轴线正交截面向轴线收缩，且由s极向n极伸张的形变特征。图（74a） 同性磁体作用示意图若两磁体的n极靠近，磁作用如图（74-a）所示。若空间仅磁体存在时，n极邻域空子的形变、位移如图中虚线形空子所示。当的n极靠近时，在空子处，电子旋切作用反向抵消，空子向球体回复，空间沿轴线

7、正交截面向外围扩张。在空子、处，、磁场合矢亦使空子沿磁场轴线正交截面向外围扩张。两n极间局部空间沿轴线正交截面向外围的扩张，则受到量子空间弹性回复作用的反抗，该弹性回复作用自两磁体轴线正交截面，由外围指向轴线，并通过空子层施于两磁体上，使受到的排斥作用。对于，反之亦然。若两磁体的n、s极靠近，邻域量子空间特征如图（7-4-b）所示。空子处，图（74-b） 异性磁体作用示意图两磁场作用的方向相同，沿磁场轴线方向愈被拉长，邻域空间向轴线收缩形变增强，中心愈沿合矢方向位移。在、处，空子沿合矢方向位移，沿磁力线合矢方向被拉长，局部空间亦有向磁体轴线收缩的趋势，反抗这一形变，而空间的弹性回复作用则自两磁

8、体的轴线沿截面指向外围，并通过空子层施于磁体的晶格上，使，呈现出相互吸引的作用。三电流的磁作用与安培定律定培定律是稳恒磁场的基本定律，下面我们在定向运动电子自旋同其运动方向构成左手螺旋系条件下，揭示电流激发磁场及安培定律的量子空间背景。图（75）电流磁作用示意图在图（75）所示的稳恒电流回路、中，各截一段电流元、，安培定律给出电流元对电流元的作用力 （73）安培定律包含方向和数量两层关系，在方向上，与共面，且同正交，在量上我们的目的是要揭示式（73）在量子 （74）空间下的意义，不过我们先来分析稳恒电流的磁场。图（76）为自稳恒电流回路截下的一段导线体元的截面图，设面积为s，长为dl，电子运动

9、方向指向纸外。图（76）电流激发磁场示意图电子在导体中定向运动的必要条件是，导体两端存在电势差。导体原子中外围轨道上的电子在电场力的作用下，脱离轨道，定向运动。电子由轨道运动转入定向直线运动时，沿轨道切线方向飞出，而电子沿切线方向飞出的条件，则同电子自旋角动量的偏转相关。在外电场的作用下，电子自旋轴线同电场方向平行，且与运动方向构成左手螺旋系。稳恒电流的磁场，则是导体中定向运动、定向自旋的电子对其邻域量子空间旋切作用的反映。电子自旋激发一旋张场，定向自旋电子的旋张场有相同的方向，合矢为与电子自旋同向的涡旋场。在该场作用下，领域空子沿涡场方向形变、位移，由球体状向扁平形变，由其特征知该场为一涡旋

10、磁场。在稳恒电流下，任一时刻导体元中有相同的定向自旋电子，对量子空间的旋切作用稳恒不变。若设导体单位积体中定向自旋的电子数为，则电流与有如下关系 （75）式中为电子运动速度，此处为一常量。电流元idl激发的磁感强度，如图（77）所示。图（77）稳恒电流磁场强度示意图图中s为导线横截面，r为半径，为体元长度。导体单位体积定向自旋电子数为，电子运动方向指向纸外，电流方向指向纸里。p为s所在平面上距导体轴心o距离为的一空子，当充分小时，体元sdl同p可视为在同一平面上。为分析p处的磁感强度，以p为心，以为半径，在体元sdl上取一弧元cdldr，、分别为弧元两端定向自旋电子。电子同质子自旋角动量相同，

11、在量子空间激发相同强度的旋张场，在包裹电子的任一同心球面上为常量，且因p点在电子自旋平面上，因此，若p点距定向自旋电子的距离为，则电子于p处切向作用强度方向沿电子旋张场于p处的切线方向。图中切向作用沿方向，切向作用沿方向，合矢沿方向，由其对称性知，弧元cdldr、体元sdl上全体定向自旋电子于p处切向合矢沿方向，同安培定律揭示的磁场方向一致。以弧元cdldr上的定向自旋电子、为例，切向作用、沿op方向的分量相互抵消，沿方向的分量同为，于是弧元cdldr上定向自旋电子对空子p沿方向的合作用 （76）为得到体元sdl上定向自旋电子于p处的合强，利用角与角的关系代入式（76）则有于是体元上定向自旋电

12、子于p处的合强 （77）因于是当r远小于时，故 （78）以上是从电子瞬间静止的角度讨论涡旋场的叠加，对于运动电子，我们知道合场强同速度成正比，以表示，则 （79）式（79）由运动电场所激发，以于上式两边乘之，则 （710）式（710）即磁感应强度的表示式，其矢量式为 （711）式（711）即运动电场与磁场的转换关系式。若点不与的截面共面，而与面夹角为，则与夹角为，电子旋张场于处的场强以因子减弱，故一般地有其矢量式为 （712）式（712）即为电流激发磁场的安培定律，而式（710）则表示宏观磁场与运动电子旋张场的内在联系。四荷电粒子在电、磁场中的行为1洛伦兹力关于安培力，我们知道起源于洛伦兹力，

13、而洛伦兹力，则决定于磁场中荷电粒子自旋与运动方向的组合方式。下面分析洛伦兹力的起因，为简单让电子以速度，沿磁感强度正交方向直线运动，如图（78）所示。图（78）洛伦兹力示意图依量子空间论的观点，磁场中空子已有沿磁场方向的形变与位移，如图（78） 洛伦茨力示意图图中的虚线形空子所示。电子自旋同运动方向成左手螺旋系，若以平面将电子切成两半，在空子所在半侧，电子涡旋场的方向同磁场方向相同，合作用使沿方向愈趋扁平，邻域空间收缩。在空子所在半侧，电子涡旋场方向同磁场方向相反，沿反方向位移，向球体状回复，邻域空间扩张。在、两半侧，空子均有同、相似的形变与位移。这就是说，在电子自旋的作用下，电子邻域均强磁场

14、中的子层（磁力线）自指向方向弯曲形变，这就改变了电子邻域磁场均强的特征，量子空间的弹性回复作用，或者说磁场保持自己特征的本领，则使电子受到自指向的回复作用。该力即洛伦兹力，如图（79）所示。图（79）电子邻域磁力线（量子层）弯曲示意图该力的大小决定于电子邻域空间弯曲形变的程度，在量上同磁感强度成正比，同荷电粒子的电荷成正比。若电子运动方向与磁场方向夹角为，则电子自旋截面同磁场方向夹角为，在磁场方向上，电子涡旋场的场强则以为因子减弱，故同成正比。当与平行时，电子旋切作用关于磁场各向同性，故不受磁场作用。另一方面，直线运动电子，叠加场的强度同速度成正比。综上所述，电子在磁场所受的洛伦兹力具有下述形

15、式其矢量式为 （713）质子同电子自旋角动量相同，在其邻域激发的旋张场相同，质子在磁场中的洛伦兹力 （714）同式（713）相比，即可推知，定向运动质子自旋同运动方向构成右手螺旋系。而将左旋质子定义为反质子，将右旋电子定为反电子。2电场中的库仑力我们以均强电场为例分析荷电粒子在电场中的行为。均强电场中量子空间的特征为，空子受与电力线方向成右手螺旋系的旋切作用，沿电力线正交平面呈扁平状，中心向负极方向偏移。若同运动方向成左手系的荷电粒子（如电子），进入均强电场，当运动方向同电力线同向时，电子自旋同电场的涡旋方向相反，电场反抗电子沿电力线方向运动；当电子运动方向同电力线反向时，电子自旋同电场的涡旋

16、方向相同，电场加速电子运动；当电子运动方向同电力线不平行时，电子自旋与电场涡旋处于不平衡状态，电场的涡旋作用，使电子自旋角动量瞬间向电场涡旋方向偏转，故电子受力方向总是自负极指向正极。而右旋荷电粒子的受力方向则相反，如正电子等。上述结论不仅对电子、正电子成立，对一切不呈电中性的粒子均成立。至此可以得出一条重要结论：我们通过荷电粒子在电、磁场中的不同行为所判定的正、负电性，实则为粒子自旋与运动方向的不同组合方式。自旋与运动方向成左手螺旋旋系的粒子荷负电荷，自旋与运动方向成右手螺旋系的粒子荷正电荷，此乃电荷的相对性原理。电中性粒子乃涡旋场正反抵消的粒子，对电、磁场无旋切作用，不改变电磁场的空间特征

17、，故不受电、磁力作用。3原子在磁场中的行为原子在外磁场中转化为磁偶极子，在分析磁偶极子磁性的起因时，我们指出原子外围电子自旋偏转总同轨道运动构成左手螺旋系，现在继续讨论这一问题。原子有固有磁矩，总同电子轨道角动量反向表示外层电子自旋与轨道运动成左手螺旋系，此乃电子轨道运动的固有属性。在玻尔定态下，原子处于磁平衡状态，是指核自旋、电子轨道运动及自旋在轴方向上对量子空间的作用相互平衡。若外磁场穿越电子轨道平面，则必破坏原子内的电磁平衡。而原子保持自己电磁平衡状态则通过外层电子自旋偏转来完成。图（710）电子自旋偏转取向示意图当外磁场沿方向穿越电子轨道平面时，与反向，相互作用使相对减弱，而电子自旋偏

18、转激发的磁场反抗外磁场，方向同同向，按前述关于洛伦兹力的分析，此刻电子受指向轨道中心的洛伦兹力，在轨道半径变化不大的条件下，洛伦兹力使电子轨道运动速度加快，左旋趋势增强，激发的与同向，如图（7-10-a）所示。当外磁场沿方向穿越电子轨道平面时，与磁矩同向，相当于增强，保持原子内的电磁平衡，则电子左旋趋势应相对减弱，激发的磁矩反抗外磁场，方向与反向。此刻洛伦兹力指向轨道外侧。该力使电子轨道运动速度减慢，左旋趋势减弱，激发的与反向。如图（7-10-b）所示。4安培力公式图（711） 安培力示意图关于电流间的安培力，不失一般性，我们分析平行、同向电流元间的作用力。图（711）为两平行导线，设截面为s

19、，长为，电流方向指向纸里，电子定向运动方向指向纸外，磁场方向如图所示。当导线a、b的半径同ab间的距离相比充分小时，电流元激发的磁感强度在体元中可视为一均强磁场。依照我们关于洛仑兹力的分析，体元中定向自旋电子的作用将使磁力线（空子层）向侧弯曲，而弯曲磁场的洛伦兹力则又作用于运动电子上，使之向靠近一侧运动，从而在体元两侧形成一霍耳（holl）电场。电子邻域，当霍尔电场使该处电子向一侧位移的电场力，同该处已弯曲磁力线向一侧回复施于电子的洛仑兹力相等时，电子便停止向靠近一侧的运动，于是体元内的量子空间则处于电磁平衡状态。此刻横向电场已经建立，体元晶格上失去电子而荷正电荷的原子实则受到霍耳电场电性力的

20、作用，方向自侧指向侧。该力即宏观上的安培力。由体元中电磁平衡状态知 （715）若电流由式（75）可给出，则安培力 （716）将式（712）代入式（716），可得式（73），即安培力公式。图（712） 感应电流示意图五法拉第电磁感应定律如图（712）所示，abcd为均强磁场中的闭合回路，金属棒dc以速度u沿图示方向运动时，回路中将有沿方向的电流通过，法拉第电磁感定律给出 （717）式中为感应电动势，为比例常数。量子空间论认为，棒两端产生感应电动势，其原因乃是棒定向运动过程中，棒物质原子电磁场与外磁场相互作用的结果。图（713）为棒放大后沿运动方向的切面图。、分别为棒中原子外围电子轨道角动量与同向

21、、反向的原子。若无外磁场，原子处于电磁平衡状态。若外磁场存在，则必破坏棒中原子的电磁平衡，外围电子以左旋偏转的强弱保持系统的电磁平衡。一般地并不总同方向平行，轨道应理解为外围电子轨道在正交平面上的投影。若棒静止，电子轨道运动相对于量子空间的速率为一常量，运动电子涡旋场叠加强度亦为一常量。现在棒以速度沿图示方向运动，则改变了轨道运动图（713） 微观电磁感应示意图电子相对于量子空间的速率。设外围电子轨道运动速率为，当与同向时（对于，靠近一侧，对于，靠近一侧）电子相对于量子空间的速度为，当电子轨道运动同反向时（对于，靠近一侧，对于，靠近一侧），电子相对于量子空间的速度为为。因运动电子叠加场的强度同

22、电子相对于量子空间的速度成正比。故知，电子轨道运动一周，在轨道的、两侧涡旋场的场强不等，其场强差与两侧的速度差成正比，即同u成正比。由运动电子自旋对磁场作用的特征知，在的一侧，磁力线自向方向弯曲，在一侧，磁力线自向弯曲，但电子在一侧相对于量子空间的速度大、作用强，合矢仍使磁力线向一侧弯曲。在的一侧，磁力线自向方向弯曲，在一侧，磁力线自向方向弯曲，电子在一侧速度大、作用强，合矢亦使磁力线向一侧弯曲。上述分析表示，不管金属棒中原子外围电子轨道角动量、磁矩方向如何，在外围电子左旋切向作用下，棒中的磁力线（空子层）自向一侧弯曲，这就改变了磁场匀强的特征，磁场保持自已场特征的本领则必使电子受到自指向的作

23、用而定向运动，形成感生电流、感生电动势，在两端激发一电场。该电场的方向自指向。关于棒两端的电动势，由以上分析知，同磁感强度b成正比，同棒的运动速度成正比，同棒中外围电子轨道平面同磁力线大体正交的原子数成正比，对于匀质棒，当棒的横截面一定时，同棒长成正比。于是有一般地，若u与b夹角为，则令，即 （718）式前负号表示感生电流回路激发的磁场同磁通量变化量方向相反。尚若回路不变，使穿越回路所围平面的磁通量改变，则有相同的效果。结 论至此，我们以空间量子化为背景，讨论了引力场、电场、磁场，现在比较上述三类不同场的特征，揭示场作用的共性，揭示物理作用的同一性。引力场由粒子占据几何空间所激发，邻域空间受粒

24、子的排开作用，向四周形变、位移。其特点为形变、位移各向同性。同引力场相比，静电场有正负之分，分别由微观荷电粒子旋张场、旋缩场矢量合成。邻域空间受有涡旋的切向作用。在两同性电场间，场强方向相反，涡旋作用正反抵消，空子向球体状回复，邻域空间向外围扩张，在两电体的两端外侧，场强方向相同，涡旋作用增强，空子形变增强，空间收缩趋强。邻域空间的这一各向不同性的形变特征，决定了同性电体相互排斥、异性电体相互吸引，且作用强度远大于引力作用的效果。宏观磁体的磁场由有规则排列的磁偶极子所激发，因外围电子自旋与轨道运动成左手螺旋系，使磁体邻域空间呈现出由n极穿出，由s极穿入，以磁体轴线为界形成两个涡旋场。由磁偶极子的起因知，正、负磁极必成对出现，自然界不存在磁单极子。磁体间的作用，同电体相仿，表现出排斥与吸引两种特征，乃磁体邻