1、基本粒子磁現象基本粒子磁現象基本粒子是構成原子和原子核的更小和更深入一層的粒子。但因隨著科學研究的深入和進展，原來看作是基本粒子的也由更深層次的粒子的發現而變爲非基本粒子了。例如歷史上曾經把原子、隨後又把原子核看作是基本粒子，但是後來更進一步的研究表明，原子和原子核都不再是基本粒子。因此把基本粒子稱爲粒子。這裏爲了避免一般的誤解，把基本粒子同常用的材料粒子和顆粒等相混淆，仍採用“基本粒子”一詞，只是要理解“基本”是隨著歷史和科學進步而改變的。從當代科學研究和應用看，基本粒子的磁性研究和應用也是很廣泛的。這裏我們只介紹其中的一部分：電子磁矩的精密測量和理論計算，中子沒有電荷卻有磁性，磁單極子的探

2、測和理論研究，誇克粒子和超子的磁性。電子磁矩電子是發現較早的一種基本粒子，存在於原子核外。各種化學元素便是根據該元素原子的原子核中的質子數目，也就是該元素原子在非電離的正常狀態下的原子核外的電子數目決定的。原子中的電子磁性有由電子的自旋産生的自旋磁矩和電子環繞原子核作軌道運動産生的軌道磁矩。對於不處於原子中的自由電子說來，就只有自旋磁矩，是電子具有的內稟磁性，常簡稱電子磁矩。一般電子學只考慮運動電子的電荷所産生的電流，但是在上個世紀(20世紀)末，由於現代磁學和高新技術的發展，誕生了磁學與電子學交叉的稱爲磁電子學、又稱自旋電子學的新的交叉磁學或稱邊緣磁學。這樣在磁電子學中電子電流和電子磁矩(自

3、旋)都得到研究和應用。電子磁矩研究的一項很重要又很有意義的成果是對電子磁矩的精密測量和理論計算。這表現在20世紀中期的30年研究中，對應用於電子磁矩與電子角動量關係的電子g因數的反常因數(簡稱g反常因數) 的精密測量和理論計算上。按早期的理論研究，g因素g=2，即g反常因數=0，但是在長期的越來越精密的實驗研究中卻表明，並不等於0，如表1中所示，在19481978的30年實驗研究中，的實驗測量值從3位有效數字增加到10位有效數字。同時更值得注意的是，對g反常因數的理論計算，在考慮了多種對電子磁矩的影響因素後，得到的理論計算值也達到10位有效數字和很高的精度(很低的不確定度)。還值得注意的是，g

4、反常因數的實驗測量值和理論計算值在10位有效數字中竟有8位有效數字相同，這些都從表1中可以清楚地看出?？偟恼f來，關於電子(自旋)磁矩的實驗測量和理論計算達到這樣高的有效位數，而實驗測量值與理論計算值達到這樣高的符合程度，在磁學和其他自然科學中都是非常罕見的。表1、電子g反常因數0.5×(g2)的實驗測量值和理論計算：年 代的實驗測量值的測量不確定度1948119×10-5±5×10-51948116×10-5±12×10-619521146×10-6±5×10-619561168×10

5、-6±300×10-919581159660×10-9±35×10-10197111596567×10-10±200×10-12197619781159652410×10-12±400×10-12a的理論計算值1159652400×10-12中子的磁性在基本粒子的磁現象中，又一個受到關注的問題是，爲什麼中子沒有電荷卻有磁性？而且其磁性還得到重要的應用。在一般情況下，磁現象與電現象總是同時存在，而且互相影響的。例如，電荷運動形成的電流總要相伴地産生磁場，而磁場變化時又會由電磁感

6、應産生電動勢。中子的磁性是怎樣來的？從現代基本粒子結構的研究知道，中子並不是不可分的基本粒子，而是由3個更基本的誇克粒子(簡成誇克)組成的?，F在通過許多的實驗和理論研究已經知道，共有6種誇克，稱爲上誇克、下誇克、奇異誇克、粲誇克、頂誇克和底誇克。誇克又稱層子，表示物質是由許多層次的基本粒子構成的，層子是其中一個層次的基本粒子。每種粒子又都有其電荷和磁矩。中子是由1個上誇克和2個下誇克組成的，而每種誇克各有其電荷和磁矩，這樣使中子的總合電荷爲零(0)，而總合磁矩卻不爲零(0)，因爲中子是一種具有強相互作用的強子，同由強子、質子和中子構成的原子核有強相互作用，因而可利用來測量晶態物質的原子(含原子

7、核)的分佈狀態的晶體結構，稱爲中子衍射晶體結構分析。又因爲中子具有磁矩而沒有電荷，可利用中子磁矩同晶態物質的原子磁矩的磁相互作用來測量晶態物質的原子磁矩的分佈狀態(稱爲磁結構)，並不受物質中電荷的影響，稱爲中子衍射磁結構分析。這樣便可以利用中子衍射同時進行晶體結構分析和磁結構分析。圖1所示反鐵磁氧化錳(MnO)，在80開(K)的反鐵磁(磁有序)態和在室溫293開(K)的順磁(磁無序)態的中子衍射譜。這是因爲氧化錳(MnO)的反鐵磁-順磁轉變溫度(稱爲奈爾濕度)爲120開(K)，在這轉變溫度以下爲原子磁矩有序排列的反鐵磁態，故在80開(K)的低溫度出現反映反鐵磁態的中子衍射譜；而在這轉變溫度以上

8、爲原子磁矩無序排列的順磁態，故在293開(K)的室溫出現反映反鐵磁態的中子衍射譜。可以看出同時具有反映反鐵磁有序的磁結構和晶體結構的中子衍射譜是比只有晶體結構而無磁結構的中子衍射譜顯得複雜。圖1、反鐵磁物質氧化錳在80K和293K的中子衍射譜磁單極子一般看來，磁的來源總是同電相關的，即由電的運動(電流)産生磁場，而且産生生物質磁性的磁矩也是同自旋和電荷相聯繫的。這樣磁矩的兩個磁極(北極和南極，或稱正磁極和負磁極)便是不能分開和分離存在的。這同物質的電性是很不相同的。因爲電性中既有電矩(帶有正電極和負電極)的存在，也有分開的正電荷和負電荷的存在。這樣就造成了磁和電的不對稱，使描述電磁現象的麥克斯

9、韋電磁方程組也顯得不對稱，例如電通密度的散度爲電荷密度，而磁通密度的散度卻爲零(0)，因爲只有磁矩，沒有分離的磁荷(磁極)。但是獲得1933度諾貝爾物理學獎的英國物理學家狄拉克在1931年提出了磁單極子理論。這位物理學家既在創建相對論性量子電動力學理論上有過重要貢獻，而且還有先提出了反物質學說、磁單極子學說和基本物理常數隨時間變化學說，其中反物質學說已在實驗上得到證實，並成爲阿爾法磁譜儀的重點研究物件。而磁單極子學說自從1931年提出以來，到現在一直受到實驗觀測和理論研究的重視。圖2、電離探測器在高空探測磁單極子的實驗結果這是因爲磁單極子問題不僅涉及物質磁性的一種來源，電磁現象的對稱性，而且還

10、同宇宙極早期演化理論及微觀粒子結構理論等有關，故成爲科學界關注的一個重要問題。例如在實驗觀測方面，曾利用多種高能加速器進行許多實驗，但都未能産生出磁單極子；曾對地球古代大陸巖石和海洋底巖石、從天外降落到地球上的各種隕石、從月球帶回地球的月球巖石等進行觀測也未觀測到磁單極子及其留下的特徵徑跡，曾利用高空氣球和空間飛行器上的粒了探測器探測磁單極子，在很多次探測中僅觀測到一次的粒子徑跡(圖2)，經多方面分析研究，認爲很可能是磁單極子的徑跡，但至今尚未得到重復證認；還曾多次在地面實驗室中利用高靈敏度和高磁遮罩的超導量子干涉儀(SQUID)式磁強計進行磁單極子的探測，進行了長達151天的日夜不停的磁單極

11、子探測，僅有一次觀測結果(圖3)經仔細分析研究，排除了多種干擾，認爲是一次磁單極子事例，但是後來雖然經過多次重復探測，並且改進和增大了測量裝置，提高了測量靈敏度，但是都未能再觀測到磁單極子?？偟恼f來，幾十年來經過多方面和大量的關於磁單極子的實驗觀測，雖然曾有過兩次可能是磁單極子的觀測事例，但都尚未能得到重復的證實。圖3、在地面用超導量子干涉儀在實驗室探測磁單極子的實驗結果在磁單極子的理論研究方面，也曾提出過多種的學說，各有其特點和根據。例如，除狄拉克最早提出的磁單極子學說外，還有：磁荷和電荷完全對稱並具有新的量子化條件的全對稱磁單極子學說；由著名華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授等提

12、出的採用纖維叢新數學方法的量子力學磁單極子學說；應用統一規範場理論的規範磁單極子學說；應用愛因斯坦-麥克斯韋耦合場的相對論性耦合場磁單極子學說；應用超弦理論和4維規範模型的超重磁單極子學說；超對稱和超弦磁單極子學說等?？偟目磥恚婕按艑W、電磁對稱、宇宙早期演化和微觀基本粒子結構等多方面的磁單極子問題是仍需要從實驗觀測和理論方面繼續進行研究的科學問題。基本粒子的磁性前面已經對一些具有磁性特點的基本粒子的磁性作了介紹，例如，其磁矩已進行精密測量和理論計算而且實驗和理論非常符合的電子磁矩、沒有電荷卻有磁矩的中子磁矩、在實驗觀測和理論研究已許多年而尚未得到肯定的科學證實的磁單極子?，F在再對一些基本粒子

13、磁性的若干特點和研究意義作些扼要介紹。首先是對同電子(第一代輕子)的質量相同但電荷相反的反粒子即正電子的測量，由於正電子在自然界很少，限制了測量的精度。比較現在測量到的g反常因數a：a(電子)=1159652410×10-12a(正電子)=11603×10-7可以看出其測量精度的差別是非常大的。其次是對第二代輕子子的實驗測量和理論計算。子是在自然界中很不穩定的壽命很短的基本粒子。已經從實驗測量和理論計算得到的子的g反常因數分別爲：a(子)(實驗值)1165924×10-9a(子)(理論值)1165920.8×10-9值得注意的是實驗值和理論值的精度雖不如

14、電子，但仍有很高的精度，而且實驗值同理論值也是很接近的。再次是對具有強相互作用和靜止質量超過原子核中的質子(即氫原子核)和中子的超子的磁矩的實驗測量和理論計算。表2、若干超子磁矩N的實驗測量值和理論計算值(實驗)N(理論)N0-0.613±0.004-0.582.42±0.052.680-1.61±0.080.82-1.157±0.025-1.050-1.250±0.014-1.40-0.69±0.04-1.59表2中列出6種超子的磁矩的實驗測量值和理論計算值。這些基本粒子的磁矩的單位N稱爲核磁子，N(核磁子)比一般用來測量物質磁矩和電子磁矩的單位B(玻爾磁子)小得多，大約只有B的2千分之一。這是因爲中子和超子等基本粒子的質量大約爲電子質量的2千倍或更高的緣故，而一般宏觀物質的磁性主要來自於電子的磁性。從表2可以看出，有些超子的磁矩，如0 超子、超子、超子和0 超子的磁矩的實驗測量值與理論計算值是較爲接近的；但是另一些超子的磁矩，如0超子和超子的磁矩的實驗測量值與理論計算值卻相差較大，其産生原因是需要進一步研究的。