空間量子化與磁性的起源與特征

1、空間量子化與磁性的起源與特征空間量子化系列論文之七摘要：奧斯特（h.c.oersted）發(fā)現(xiàn)電流的磁效應后，安培（a.m.ampere）敏銳地抓住一切磁現(xiàn)象起源于電荷運動這一本質(zhì)特征，揭示了電流磁作用的基本規(guī)律。在解釋磁性起源時，安培提出了分子環(huán)流的假說。這一光輝思想經(jīng)受了時間的考驗，我們對磁性起源的分析正是從分子環(huán)流開始的。所不同的是，我們要在量子空間的背景上，揭示磁作用的空間特征，揭示安培定律、洛倫茲（h.a.lorentz）力、法拉第（m.rardady）定律諸基本規(guī)律的深層原因。從而對磁荷、磁性這一基本物理量、物理概念給出新的解釋。關鍵詞：空子、量子空間、渦旋場、旋張場、旋縮場、磁性的

2、起源、磁偶極子、磁單極子、電荷的相對性。一磁性的起源讓我們回到玻爾氫原子模型上來。在分析電性起源時，指出電中性氫原子電子自旋角動量同核自旋角動量反向。由電子軌道運動產(chǎn)生磁矩，且與軌道角動量反向這一特征知，電子軌道運動對軌道軸線兩端量子空間作用效果不同。而總與反向的原因，與電子自旋截面與軌道截面的夾角有關。如果因為某種原因（如原子處于外磁場中），電子自旋角動量向運動后方偏轉(zhuǎn)，自旋與軌道運動構(gòu)成左手螺旋系時，中性原子則轉(zhuǎn)化為磁偶極子。磁偶極子n極的方向同反向。圖（71）磁性起源示意圖說磁偶極子荷有磁荷是指軌道內(nèi)側(cè)空子受運動電子定向自旋的作用，在與軌道平面正交的方向上（即的反方向）形變、位移的效應。

3、電子自旋與軌道運動成左手螺旋系偏轉(zhuǎn)后，在軌道內(nèi)外兩側(cè)，電子自旋切向作用處處與軌道平面正交，軌道內(nèi)側(cè)空子受與反向的旋切作用，球體狀的空子沿反向被旋切作用拉長，呈扁平狀，當軌道內(nèi)側(cè)空子呈現(xiàn)出這種形變特征時，我們說原子則荷有磁荷。盡管與核自旋角動量可能有同向、反向兩種基本取向，因總與反向，這一基本事實表明電子自旋偏轉(zhuǎn)總同軌道運動成左手螺旋系。圖（71）為與反向時原子磁性示意圖。電子旋張場的渦旋方向在軌道內(nèi)側(cè)沿方向，在軌道外側(cè)沿方向。電子瞬間繞核一周、軌道兩側(cè)量子空間均受這種反向的作用。在軌道內(nèi)側(cè)空量子沿方向位移、形變，沿方向被拉長，呈扁平狀。在軌道外側(cè)空量子沿方向位移、形變，呈扁平弦狀，如圖中虛實小

4、圓所示。這就改變了中性原子內(nèi)量子空間的特征，使中性原子轉(zhuǎn)化為磁偶極子，其n極的方向為軌道內(nèi)側(cè)空子位移、形變的方向，同反向。在軌道外側(cè)，磁偶極子磁性的方向同內(nèi)側(cè)反向，其平均強度遠小于內(nèi)側(cè)，故磁偶極子磁荷量主值為軌道內(nèi)側(cè)的磁荷量。磁偶極子的磁荷量（軌道磁矩）刻畫軌道內(nèi)側(cè)空子沿相反方向形變、位移的強度。因電子旋張場并不隨電子離開軌道上某一確定點而隨之同時消失，同粒子引力場的疊加相仿，運動電子的渦旋場在軌道上處于疊加狀態(tài)。該疊加狀態(tài)的強弱同電子軌道運動的速率成正比。圖（72）磁矩示意圖另一方面，運動電子旋張場沿軌道切線傳播，對于圓周運動的電子，在自身旋張場中運行的路程，或者說旋張場疊加的強度又同軌道的

5、曲率半徑相關，軌道半徑愈大，疊加愈強，如圖（72）所示。因與為獨立的因素，則運動電子旋張場疊加強度同的積成正比?？紤]到電子旋張場于軌道內(nèi)外兩側(cè)作用相等，若以磁矩表示軌道內(nèi)側(cè)受電子旋張場作用的強度，選擇比例常數(shù)，則 （71）式中a為電子軌道面積，當我們以ia規(guī)定為磁殼的磁矩時，取式中的k為1，于是可得 （72）磁偶極子由與軌道運動成左手螺旋系偏轉(zhuǎn)的電子旋張場所激發(fā)，鄰域空子的形變特征為，沿軌道軸線方向伸長，中心向n極方向偏移，沿軌道截面，空間向軌道中心收縮，有沿軌道截面向外圍空間回復性擴張的趨勢。圖（73） 宏觀磁場量子空間示意圖二宏觀磁體的磁作用宏觀磁體由原子磁偶極子構(gòu)成，在宏觀磁體中金屬原子

6、的外圍電子自旋與軌道運動成左手螺旋系時，原子實同外圍電子就如圖（71）所示的氫原子那樣，轉(zhuǎn)化為磁偶極子。在宏觀磁體中，磁偶極子取向同一，呈現(xiàn)出有規(guī)則的排列。而宏觀磁體的磁場乃全體磁偶極子磁場的矢量合，如圖（73）所示。由磁偶極子磁場的特征知，宏觀磁體磁場的方向為由n極穿出，由s極穿入，環(huán)磁體呈閉合狀。宏觀磁體鄰域空間呈現(xiàn)出沿軸線正交截面向軸線收縮，且由s極向n極伸張的形變特征。圖（74a） 同性磁體作用示意圖若兩磁體的n極靠近，磁作用如圖（74-a）所示。若空間僅磁體存在時，n極鄰域空子的形變、位移如圖中虛線形空子所示。當?shù)膎極靠近時，在空子處，電子旋切作用反向抵消，空子向球體回復，空間沿軸線

7、正交截面向外圍擴張。在空子、處，、磁場合矢亦使空子沿磁場軸線正交截面向外圍擴張。兩n極間局部空間沿軸線正交截面向外圍的擴張，則受到量子空間彈性回復作用的反抗，該彈性回復作用自兩磁體軸線正交截面，由外圍指向軸線，并通過空子層施于兩磁體上，使受到的排斥作用。對于，反之亦然。若兩磁體的n、s極靠近，鄰域量子空間特征如圖（7-4-b）所示?？兆犹帲瑘D（74-b） 異性磁體作用示意圖兩磁場作用的方向相同，沿磁場軸線方向愈被拉長，鄰域空間向軸線收縮形變增強，中心愈沿合矢方向位移。在、處，空子沿合矢方向位移，沿磁力線合矢方向被拉長，局部空間亦有向磁體軸線收縮的趨勢，反抗這一形變，而空間的彈性回復作用則自兩磁

8、體的軸線沿截面指向外圍，并通過空子層施于磁體的晶格上，使，呈現(xiàn)出相互吸引的作用。三電流的磁作用與安培定律定培定律是穩(wěn)恒磁場的基本定律，下面我們在定向運動電子自旋同其運動方向構(gòu)成左手螺旋系條件下，揭示電流激發(fā)磁場及安培定律的量子空間背景。圖（75）電流磁作用示意圖在圖（75）所示的穩(wěn)恒電流回路、中，各截一段電流元、，安培定律給出電流元對電流元的作用力 （73）安培定律包含方向和數(shù)量兩層關系，在方向上，與共面，且同正交，在量上我們的目的是要揭示式（73）在量子 （74）空間下的意義，不過我們先來分析穩(wěn)恒電流的磁場。圖（76）為自穩(wěn)恒電流回路截下的一段導線體元的截面圖，設面積為s，長為dl，電子運動

9、方向指向紙外。圖（76）電流激發(fā)磁場示意圖電子在導體中定向運動的必要條件是，導體兩端存在電勢差。導體原子中外圍軌道上的電子在電場力的作用下，脫離軌道，定向運動。電子由軌道運動轉(zhuǎn)入定向直線運動時，沿軌道切線方向飛出，而電子沿切線方向飛出的條件，則同電子自旋角動量的偏轉(zhuǎn)相關。在外電場的作用下，電子自旋軸線同電場方向平行，且與運動方向構(gòu)成左手螺旋系。穩(wěn)恒電流的磁場，則是導體中定向運動、定向自旋的電子對其鄰域量子空間旋切作用的反映。電子自旋激發(fā)一旋張場，定向自旋電子的旋張場有相同的方向，合矢為與電子自旋同向的渦旋場。在該場作用下，領域空子沿渦場方向形變、位移，由球體狀向扁平形變，由其特征知該場為一渦旋

10、磁場。在穩(wěn)恒電流下，任一時刻導體元中有相同的定向自旋電子，對量子空間的旋切作用穩(wěn)恒不變。若設導體單位積體中定向自旋的電子數(shù)為，則電流與有如下關系 （75）式中為電子運動速度，此處為一常量。電流元idl激發(fā)的磁感強度，如圖（77）所示。圖（77）穩(wěn)恒電流磁場強度示意圖圖中s為導線橫截面，r為半徑，為體元長度。導體單位體積定向自旋電子數(shù)為，電子運動方向指向紙外，電流方向指向紙里。p為s所在平面上距導體軸心o距離為的一空子，當充分小時，體元sdl同p可視為在同一平面上。為分析p處的磁感強度，以p為心，以為半徑，在體元sdl上取一弧元cdldr，、分別為弧元兩端定向自旋電子。電子同質(zhì)子自旋角動量相同，

11、在量子空間激發(fā)相同強度的旋張場，在包裹電子的任一同心球面上為常量，且因p點在電子自旋平面上，因此，若p點距定向自旋電子的距離為，則電子于p處切向作用強度方向沿電子旋張場于p處的切線方向。圖中切向作用沿方向，切向作用沿方向，合矢沿方向，由其對稱性知，弧元cdldr、體元sdl上全體定向自旋電子于p處切向合矢沿方向，同安培定律揭示的磁場方向一致。以弧元cdldr上的定向自旋電子、為例，切向作用、沿op方向的分量相互抵消，沿方向的分量同為，于是弧元cdldr上定向自旋電子對空子p沿方向的合作用 （76）為得到體元sdl上定向自旋電子于p處的合強，利用角與角的關系代入式（76）則有于是體元上定向自旋電

12、子于p處的合強 （77）因于是當r遠小于時，故 （78）以上是從電子瞬間靜止的角度討論渦旋場的疊加，對于運動電子，我們知道合場強同速度成正比，以表示，則 （79）式（79）由運動電場所激發(fā)，以于上式兩邊乘之，則 （710）式（710）即磁感應強度的表示式，其矢量式為 （711）式（711）即運動電場與磁場的轉(zhuǎn)換關系式。若點不與的截面共面，而與面夾角為，則與夾角為，電子旋張場于處的場強以因子減弱，故一般地有其矢量式為 （712）式（712）即為電流激發(fā)磁場的安培定律，而式（710）則表示宏觀磁場與運動電子旋張場的內(nèi)在聯(lián)系。四荷電粒子在電、磁場中的行為1洛倫茲力關于安培力，我們知道起源于洛倫茲力，

13、而洛倫茲力，則決定于磁場中荷電粒子自旋與運動方向的組合方式。下面分析洛倫茲力的起因，為簡單讓電子以速度，沿磁感強度正交方向直線運動，如圖（78）所示。圖（78）洛倫茲力示意圖依量子空間論的觀點，磁場中空子已有沿磁場方向的形變與位移，如圖（78） 洛倫茨力示意圖圖中的虛線形空子所示。電子自旋同運動方向成左手螺旋系，若以平面將電子切成兩半，在空子所在半側(cè)，電子渦旋場的方向同磁場方向相同，合作用使沿方向愈趨扁平，鄰域空間收縮。在空子所在半側(cè)，電子渦旋場方向同磁場方向相反，沿反方向位移，向球體狀回復，鄰域空間擴張。在、兩半側(cè)，空子均有同、相似的形變與位移。這就是說，在電子自旋的作用下，電子鄰域均強磁場

14、中的子層（磁力線）自指向方向彎曲形變，這就改變了電子鄰域磁場均強的特征，量子空間的彈性回復作用，或者說磁場保持自己特征的本領，則使電子受到自指向的回復作用。該力即洛倫茲力，如圖（79）所示。圖（79）電子鄰域磁力線（量子層）彎曲示意圖該力的大小決定于電子鄰域空間彎曲形變的程度，在量上同磁感強度成正比，同荷電粒子的電荷成正比。若電子運動方向與磁場方向夾角為，則電子自旋截面同磁場方向夾角為，在磁場方向上，電子渦旋場的場強則以為因子減弱，故同成正比。當與平行時，電子旋切作用關于磁場各向同性，故不受磁場作用。另一方面，直線運動電子，疊加場的強度同速度成正比。綜上所述，電子在磁場所受的洛倫茲力具有下述形

15、式其矢量式為 （713）質(zhì)子同電子自旋角動量相同，在其鄰域激發(fā)的旋張場相同，質(zhì)子在磁場中的洛倫茲力 （714）同式（713）相比，即可推知，定向運動質(zhì)子自旋同運動方向構(gòu)成右手螺旋系。而將左旋質(zhì)子定義為反質(zhì)子，將右旋電子定為反電子。2電場中的庫侖力我們以均強電場為例分析荷電粒子在電場中的行為。均強電場中量子空間的特征為，空子受與電力線方向成右手螺旋系的旋切作用，沿電力線正交平面呈扁平狀，中心向負極方向偏移。若同運動方向成左手系的荷電粒子（如電子），進入均強電場，當運動方向同電力線同向時，電子自旋同電場的渦旋方向相反，電場反抗電子沿電力線方向運動；當電子運動方向同電力線反向時，電子自旋同電場的渦旋

16、方向相同，電場加速電子運動；當電子運動方向同電力線不平行時，電子自旋與電場渦旋處于不平衡狀態(tài)，電場的渦旋作用，使電子自旋角動量瞬間向電場渦旋方向偏轉(zhuǎn)，故電子受力方向總是自負極指向正極。而右旋荷電粒子的受力方向則相反，如正電子等。上述結(jié)論不僅對電子、正電子成立，對一切不呈電中性的粒子均成立。至此可以得出一條重要結(jié)論：我們通過荷電粒子在電、磁場中的不同行為所判定的正、負電性，實則為粒子自旋與運動方向的不同組合方式。自旋與運動方向成左手螺旋旋系的粒子荷負電荷，自旋與運動方向成右手螺旋系的粒子荷正電荷，此乃電荷的相對性原理。電中性粒子乃渦旋場正反抵消的粒子，對電、磁場無旋切作用，不改變電磁場的空間特征

17、，故不受電、磁力作用。3原子在磁場中的行為原子在外磁場中轉(zhuǎn)化為磁偶極子，在分析磁偶極子磁性的起因時，我們指出原子外圍電子自旋偏轉(zhuǎn)總同軌道運動構(gòu)成左手螺旋系，現(xiàn)在繼續(xù)討論這一問題。原子有固有磁矩，總同電子軌道角動量反向表示外層電子自旋與軌道運動成左手螺旋系，此乃電子軌道運動的固有屬性。在玻爾定態(tài)下，原子處于磁平衡狀態(tài)，是指核自旋、電子軌道運動及自旋在軸方向上對量子空間的作用相互平衡。若外磁場穿越電子軌道平面，則必破壞原子內(nèi)的電磁平衡。而原子保持自己電磁平衡狀態(tài)則通過外層電子自旋偏轉(zhuǎn)來完成。圖（710）電子自旋偏轉(zhuǎn)取向示意圖當外磁場沿方向穿越電子軌道平面時，與反向，相互作用使相對減弱，而電子自旋偏

18、轉(zhuǎn)激發(fā)的磁場反抗外磁場，方向同同向，按前述關于洛倫茲力的分析，此刻電子受指向軌道中心的洛倫茲力，在軌道半徑變化不大的條件下，洛倫茲力使電子軌道運動速度加快，左旋趨勢增強，激發(fā)的與同向，如圖（7-10-a）所示。當外磁場沿方向穿越電子軌道平面時，與磁矩同向，相當于增強，保持原子內(nèi)的電磁平衡，則電子左旋趨勢應相對減弱，激發(fā)的磁矩反抗外磁場，方向與反向。此刻洛倫茲力指向軌道外側(cè)。該力使電子軌道運動速度減慢，左旋趨勢減弱，激發(fā)的與反向。如圖（7-10-b）所示。4安培力公式圖（711） 安培力示意圖關于電流間的安培力，不失一般性，我們分析平行、同向電流元間的作用力。圖（711）為兩平行導線，設截面為s

19、，長為，電流方向指向紙里，電子定向運動方向指向紙外，磁場方向如圖所示。當導線a、b的半徑同ab間的距離相比充分小時，電流元激發(fā)的磁感強度在體元中可視為一均強磁場。依照我們關于洛侖茲力的分析，體元中定向自旋電子的作用將使磁力線（空子層）向側(cè)彎曲，而彎曲磁場的洛倫茲力則又作用于運動電子上，使之向靠近一側(cè)運動，從而在體元兩側(cè)形成一霍耳（holl）電場。電子鄰域，當霍爾電場使該處電子向一側(cè)位移的電場力，同該處已彎曲磁力線向一側(cè)回復施于電子的洛侖茲力相等時，電子便停止向靠近一側(cè)的運動，于是體元內(nèi)的量子空間則處于電磁平衡狀態(tài)。此刻橫向電場已經(jīng)建立，體元晶格上失去電子而荷正電荷的原子實則受到霍耳電場電性力的

20、作用，方向自側(cè)指向側(cè)。該力即宏觀上的安培力。由體元中電磁平衡狀態(tài)知 （715）若電流由式（75）可給出，則安培力 （716）將式（712）代入式（716），可得式（73），即安培力公式。圖（712） 感應電流示意圖五法拉第電磁感應定律如圖（712）所示，abcd為均強磁場中的閉合回路，金屬棒dc以速度u沿圖示方向運動時，回路中將有沿方向的電流通過，法拉第電磁感定律給出 （717）式中為感應電動勢，為比例常數(shù)。量子空間論認為，棒兩端產(chǎn)生感應電動勢，其原因乃是棒定向運動過程中，棒物質(zhì)原子電磁場與外磁場相互作用的結(jié)果。圖（713）為棒放大后沿運動方向的切面圖。、分別為棒中原子外圍電子軌道角動量與同向

21、、反向的原子。若無外磁場，原子處于電磁平衡狀態(tài)。若外磁場存在，則必破壞棒中原子的電磁平衡，外圍電子以左旋偏轉(zhuǎn)的強弱保持系統(tǒng)的電磁平衡。一般地并不總同方向平行，軌道應理解為外圍電子軌道在正交平面上的投影。若棒靜止，電子軌道運動相對于量子空間的速率為一常量，運動電子渦旋場疊加強度亦為一常量?，F(xiàn)在棒以速度沿圖示方向運動，則改變了軌道運動圖（713） 微觀電磁感應示意圖電子相對于量子空間的速率。設外圍電子軌道運動速率為，當與同向時（對于，靠近一側(cè)，對于，靠近一側(cè)）電子相對于量子空間的速度為，當電子軌道運動同反向時（對于，靠近一側(cè)，對于，靠近一側(cè)），電子相對于量子空間的速度為為。因運動電子疊加場的強度同

22、電子相對于量子空間的速度成正比。故知，電子軌道運動一周，在軌道的、兩側(cè)渦旋場的場強不等，其場強差與兩側(cè)的速度差成正比，即同u成正比。由運動電子自旋對磁場作用的特征知，在的一側(cè)，磁力線自向方向彎曲，在一側(cè)，磁力線自向彎曲，但電子在一側(cè)相對于量子空間的速度大、作用強，合矢仍使磁力線向一側(cè)彎曲。在的一側(cè)，磁力線自向方向彎曲，在一側(cè)，磁力線自向方向彎曲，電子在一側(cè)速度大、作用強，合矢亦使磁力線向一側(cè)彎曲。上述分析表示，不管金屬棒中原子外圍電子軌道角動量、磁矩方向如何，在外圍電子左旋切向作用下，棒中的磁力線（空子層）自向一側(cè)彎曲，這就改變了磁場勻強的特征，磁場保持自已場特征的本領則必使電子受到自指向的作

23、用而定向運動，形成感生電流、感生電動勢，在兩端激發(fā)一電場。該電場的方向自指向。關于棒兩端的電動勢，由以上分析知，同磁感強度b成正比，同棒的運動速度成正比，同棒中外圍電子軌道平面同磁力線大體正交的原子數(shù)成正比，對于勻質(zhì)棒，當棒的橫截面一定時，同棒長成正比。于是有一般地，若u與b夾角為，則令，即 （718）式前負號表示感生電流回路激發(fā)的磁場同磁通量變化量方向相反。尚若回路不變，使穿越回路所圍平面的磁通量改變，則有相同的效果。結(jié) 論至此，我們以空間量子化為背景，討論了引力場、電場、磁場，現(xiàn)在比較上述三類不同場的特征，揭示場作用的共性，揭示物理作用的同一性。引力場由粒子占據(jù)幾何空間所激發(fā)，鄰域空間受粒

24、子的排開作用，向四周形變、位移。其特點為形變、位移各向同性。同引力場相比，靜電場有正負之分，分別由微觀荷電粒子旋張場、旋縮場矢量合成。鄰域空間受有渦旋的切向作用。在兩同性電場間，場強方向相反，渦旋作用正反抵消，空子向球體狀回復，鄰域空間向外圍擴張，在兩電體的兩端外側(cè)，場強方向相同，渦旋作用增強，空子形變增強，空間收縮趨強。鄰域空間的這一各向不同性的形變特征，決定了同性電體相互排斥、異性電體相互吸引，且作用強度遠大于引力作用的效果。宏觀磁體的磁場由有規(guī)則排列的磁偶極子所激發(fā)，因外圍電子自旋與軌道運動成左手螺旋系，使磁體鄰域空間呈現(xiàn)出由n極穿出，由s極穿入，以磁體軸線為界形成兩個渦旋場。由磁偶極子的起因知，正、負磁極必成對出現(xiàn)，自然界不存在磁單極子。磁體間的作用，同電體相仿，表現(xiàn)出排斥與吸引兩種特征，乃磁體鄰