认识金属材料（五） 

                 有趣的的磁性

                                                晏成和

内容提要：自然磁场、磁力不仅存在于磁铁之中，电子的运动伴生着磁场，只要有电子的运动就必然产生磁场。通过铜、青蛙等等物质在强磁场中的表现，说明了磁场的普遍存在。同时，也介绍了“核磁共振”成像原理。

关键词：磁场   电磁力  安德烈·盖姆的青蛙   核磁共振

宏观的磁性，透露了物质微观世界的秘密，为了对磁性有更深入的了解，我们来观摩物理玩家的几个有趣的磁性实验，看一看常规物质在强磁场中发生的奇妙的特性（图一）。

                                             图一             

 图中，左手拿的是一个纯铜的圆筒，右手拿的强磁性的圆柱体磁铁。把这个磁铁圆柱体投入圆筒中，让它自由落体运动。你会发现，磁铁降落缓慢，在圆筒内受到较大的阻尼。这个实验材料也可以反过来：用强磁性的磁铁制成圆筒、拿一个纯铜的小圆柱体，效果是一样的。

当把这个强磁铁投入纯铜的圆筒中，磁铁强磁力影响到纯铜结构元电的磁力，纯铜结构元的电子调整方位，抵御外磁场的侵扰，这就形成了抵御磁场的阻力，大量阻力的集合，强磁铁的自由落体速度缓慢。

这是世界物理玩家安德烈·盖姆（Andre Geim）曾经玩过几个著名的磁性实验之一，物理玩家代表作就是那个“飞翔的青蛙”实验。（安德烈·盖姆的玩实验的视频，我见过几次，没有收藏，哪位大侠有、请提供，甚谢！）

物理玩家的玩具很简单，就是一个磁力超强的圆筒，然后把青蛙、水、纯铜分别通过强磁性圆筒，这些物质的下降速度都变得缓慢，青蛙甚至像是能够悬浮在圆筒之中，似乎地球的引力消失。现代物理学没能解读在强磁性圆筒中这些物质的下降速度变得缓慢的原理，只是用了个新名词“反磁性”，却不能说明其来历和原因。

再来看看安德烈·盖姆的青蛙。当青蛙通过强磁性圆筒，青蛙的细胞组织-碳氢化合物和液态物质构成的结构元受到外部强磁场的侵扰，于是所有结构元的电子调整方位，抵御磁场侵扰，这就形成了抵御外磁场的阻力，大量阻力的集合，让强青蛙的自由落体的速度缓慢，又因为青蛙自身质量不大，而表面积相对很大，抵御磁场的阻力更大，因此自由落体的速度更加缓慢，近乎于悬浮在圆筒之中。

物质在强磁场中自由落体的速度缓慢，不是因为自旋是几分之几，而是因为物质的结构元受到外部强磁场的侵扰时，所有结构元的价电子易于调整方位，抵御磁场侵扰，这就形成了抵御外磁场的阻力。所以物质的结构元的位置相对灵活、价和电子调整比较容易的液体、生物体、金属在强磁场中自由落体的速度缓慢。

而价和晶体的结构元位置固定且相互牵制，受到外部强磁场的侵扰，结构元的价电子难以调整方位。所以难以形成抵御外磁场的阻力（下落较快）。

我们可以借用安德烈·盖姆的强磁性圆筒继续做实验。让冻硬的冰块和相同质量的水分别自由落体通过磁圆筒，在此预言：冰块下落较快、水下落相对较慢。原因是：冰的结构元位置固定且相互牵制，不容易调整到与外磁场抗衡的方位；而水的结构元容易被外磁场调整位置，与外磁场抗衡，所以下落较慢。液态物质内存在微型电磁体的结构，所以液态物质在强磁场中能够形成运动阻尼。

这个实验很简单，只需要一个强磁性圆筒，希望有人来做这个实验。

现在医院有一项精密有效的体检项目-核磁共振。其实这四个字只对了一个，“磁”，确实是用到了大电流产生强磁场。其中没有涉及核，也没有共振。

能够看到体内，用的还是X光，过去的X光没有用到强磁场，只能看到骨头，其它的内脏一抹糊涂，聪明的人类在此用到了磁场。

在盖姆的青蛙中，在冰块和水分别自由落体通过磁圆筒的过程中，我们知道了固体和液体在磁场中的表现各不相同。同理，身体中的固体、液体和软组织在强磁场中结构元的调整方位、也各有表现，于是分别显示了各自的界面和形状。核磁共振就是利用了强磁场把身体内的固体、液体和软组织各自分开，形成了清晰的界面，这样的X光图片就能够清晰地看到身体内各个器官的形状、大小、有没有病变等等信息。

磁性，磁场、磁场力广泛的存在于一般物质之中，还有诸多的证明，自然界的下雨、水蒸气的凝结，就是温度降低，水蒸气核外电子的球面运转呈现破口，电磁力显露，H2O找到同伴相聚成水汽、成雨。人们在用空气制作液氮、液氧也运用了这些分子的磁力。

地球表层携带大量游离电子，这些电子随着地球转动，（右手定则）造就了宏观的地磁场，形成了地球的南北极。

顺便说一下：磁场一般是N、S极同时存在。早年，有物理学者提出磁单极，有探索者致力探索，总是无果而终。自然界究竟有没有磁单极？

几何中，一个面肯定是把空间分成两个部分，现实中，找不到只有一面的纸。电子在某个面旋转，依照“右手定则”一定会在此面两边形成N、S极。只要有一个电子旋转，所形成的磁场都是N、S极。所以，磁单极是不存在的。

                         　　　　　　 2019、5、25、整理发表