我們知道有電荷。電荷分兩種，同性相斥，異性相吸。在自然界中，大部分物質（我們身

邊的物質）是以分子或原子的形態存在的，而分子/原子的主要性質取決於電子。

通過摩擦，物質之間可能發生電子的轉移，這就是摩擦起電現象，通過摩擦起電，我們很

早就知道世界上存在兩種電荷。磁性也是人們很早就認識到的一種自然現象，但和電現象

不同，我們沒法孤立出兩種磁荷。

典型的磁現象涉及磁鐵，磁鐵一般是長條形的，這兩端的行為很像電荷，N端和N端靠近是
排斥的，而N端和S端靠近是吸引的。這讓人猜測N和S就好像電荷的正或負，但我們無法把
N端和S端分開，一旦強行分開，我們會得到兩個磁鐵，每個磁鐵上都有相反的N和S。

因為這個原因，物理學家用「磁矩」，而不是磁荷來描述磁現象。但電和磁有關係，很快

被法拉第等科學家發現了，簡單說就是環形電流（比如電子圍繞一個圓形軌道轉圈）具有

磁性，這讓人們猜測磁性物質的分子具有環形電流，這些磁性累加起來體現為宏觀的磁性

。

環形電流，就相當於小磁鐵，也有磁矩。磁性的本質要歸結到「電」，從這個角度並不存
在磁銅，磁鋁。因為磁鐵中導致相互吸引的原因並不是只和鐵有關的特別的東西，是否具
有磁性需要研究物質中電子的運動狀況（原子核對磁性的貢獻比電子對磁性的貢獻小得多
）。

按照這個思路，應該在磁性物體的表面存在「環形電流」，但可惜的是這個電流並沒有被

人們檢測到。並且人們迄今為止也沒有在自然界中觀察到獨立的磁荷。換句話說，我們觀

察到的磁性現象大多都與電有關。

根據量子力學，電子在原子內的運動可以歸結為四個量子數，n，l，m和sz，其中m叫磁量

子數，相當於電子在原子內作「軌道運動」所具有的「軌道角動量」的z分量，如果m不是

0，電子相應地會具有磁矩，這和「分子電流」的概念有點像，區別是這裡電子的運動必

須用量子力學來描述。

此外，根據相對論性量子力學，電子還具有內稟的自旋，它在z方向上的分量是sz，自旋

也會貢獻磁矩。換句話說，原子內部的電子是磁性的來源，那麼為什麼元素周期表上的大

多數物質不體現出磁性呢？

元素磁性的周期表，藍色是反鐵磁，淺藍是抗磁，紅色是順磁，只有黃色是鐵磁，對外體
現出「磁性」，Gd也是鐵磁的，但其居里溫度只有292K（19° C），正好在室溫時體現不
出磁性。

一個原因是原子裡面有很多電子，它們傾向於按照泡利不相容原理按照能量的高低從低到

高排列，這導致大多數電子的磁矩相互抵消了，比如滿殼層的電子，磁矩就互相抵消掉了

。

對於固態中的原子，如果不是滿殼層，則會和周圍的原子形成共價鍵（半導體），或得失

電子使得殼層變成滿殼層（離子晶體），換句話說很多固態物質中的電子也不對外顯示磁

性了。此外，還有軌道淬滅概念，即處於晶格中的原子在特定條件下，軌道角動量的z分

量平均值為0。

此外還有金屬，對於金屬來說，最外層電子是整個晶格共有的，它們處於一個連續的能帶

里，其中一半向上，一半向下，正好磁性互相抵消（銅和鋁等金屬就是這種情況）。除非

金屬的能帶結構並不對稱，使得某種自旋取向的電子更多，這樣金屬才有可能對外體現出

磁性。

如圖：4s電子對自旋向上和向下的能帶是對稱的，而3d電子則是不對稱的。Cu的電子結構
是3d^104s^1，換句話說Cu不具備磁性是因為其最外層只有4s電子。而鐵（3d^64s^2）、
鈷（3d^74s^2）、鎳（3d^94s^1）則分別都有未填充滿的3d電子。鋁的電子結構是

最後還需考慮居里溫度（Tc），因為磁性的存在會使磁矩相互平行排列，但如果無規則熱

運動的能量過大，則會破壞這種平行排列，使得磁性沒法對外體現出來。

換句話說，固體要對外顯示出磁性，其條件是相當苛刻的，在天然物質中只有鐵、鈷、鎳

三種物質具有磁性，它們的居里溫度分別是1043K，1400K和627K。