第三章第八节原子核磁现象
微观世界虽然是我们的肉眼看不见的，但却可以应用多种科学方法和高新技术了解其存在、
认识其特性，有的还得到重要的应用。
核磁共振与物质结构研究
磁共振是物质中的磁矩系统在互相垂直的恒定磁场(又称直流磁场)和高频或微波磁场的同时
作用下，当恒定磁场的强度和高频或微磁场的频率满足一定的条件时，这一磁矩系统对高频
或微波产生的强烈的电磁能量吸收现象，原子核磁矩系统产生的磁共振称为核磁共振，电子
磁矩系统产生的磁共振称为电子自旋磁共振。根据这一电子系统产生的磁性，如顺磁性、铁
磁性等，又分为顺磁共振、铁磁共振等。
在这些磁共振中，目前应用最多的是核磁共振。这是因为在92种天然化学元素中，有80多种
化学元素的原子核具有磁矩(简称核磁矩)，可以在一定条件下产生核磁共振，因此可以利用
核磁共振方法来研究许多物质的核磁共振。又因为核磁共振的分辨率很高，又可以利用一些
新技术(如电子计算机技术等)来提高灵敏度，故在物理学、化学、生物学、地质学、医学和
工农业分析等中得到重要的应用。
核磁制冷创造最低温度记录
在现代生活中，利用制冷的冰箱已成为重要的家用电器。但是目前常用的冰箱制冷剂中含有
不利于环境保护、破坏高空臭氧层的氟(F)和氯(Cl)，因而促进了多种制冷方法技术的研究
。
磁制冷技术便是其中很受重视的制冷技术，例如,正在研究的利用稀土金属钆(Gd)及其合金
在其铁磁—顺磁临界温度区域的磁—热效应的制冷。又例如，已经利用锰(Mn)系和铬(Cr)系
硫酸盐等顺磁(性)盐类的顺磁绝热退磁效应在超低温度区域将温度降低到约百分之一(10
-2)开(K)，是当前超低温度区域较常用的一种制冷技术。
什么是磁绝热退磁制冷技术？简单说来就是把在大约1开(K)的起始温度的顺磁盐放在外加强
的磁场中磁化，所放出的磁化热传到顺磁盐周围环境中，温度保持不变。然后把顺磁盐同周
围环境隔离，处于绝热状态，再去掉或剧减外加磁场，顺磁盐转变为退磁状态，原子磁矩从
磁有序转变为磁无序，这就需要吸收能量，但是已处于绝热状态的顺磁盐不能从周围环境吸
取能量，便只有从顺磁盐自己的原子运动中吸取能量，这样就使顺磁盐的分子运动减弱而使
温度降低。
这种磁绝热退磁过程进行多次便可使顺磁盐温度降低到一定的程度。一般说来，利用顺磁盐
的绝热退磁方法可以使顺磁盐温度降低到约百分之一(10-2)开(K)，即约10毫开(mK)
，也可称为毫开(mK)范围或毫开(mK)量级。
利用同样的绝热退磁方法可以使一定物质的原子核磁矩系统的温度降低。例如利用铜(C
u)原子核绝热退磁方法可以铜(Cu)原子核系统温度降低到约百万分之一开(K)，即约1微开(
μK)或更低。目前利用铜(Cu)原子核绝热退磁方法达到的最低温度为十亿分之二开(K)，即
约2纳开(nK)，这是目前所知达到的最低温度。
这里需要注意的是，利用原子核磁矩系统的绝热退磁制冷方法所达到的最低温度是指原子核
磁矩系统的温度，并不是含这一原子核的物质的温度。根据热力学定律，绝对温度的0开(K)
是不可能达到的，但可以接近0开(K)。
核铁磁性和核反铁磁性
我们在前面介绍各种物质的磁性时，曾讲到研究和应用最多的是原子磁矩形成有序排列的铁
磁性和反铁磁性等材料。原子磁矩是原子中多个电子的总合磁矩，原子磁矩的有序排列是由
相邻原子磁矩(自旋)间的相互作用，主要是具有量子力学特点的自旋间的交换作用产生的。
那么原子核磁矩是否也会形成有序排列而产生原子核铁磁性和核反铁磁性等？经过实验观测
和理论研究，特别是由于高新技术的发展和应用，已经从实验和理论两方面证实了原子核
铁磁性(简称核铁磁性)和原子核反铁磁性(简称核反铁磁性)的存在及其特点。
但是，从实验中观测到原子核磁矩的有序排列是很不容易的。这一方面是由于原子核磁矩只
有原子(电子)磁矩的千分之一或更低，其有序排列要克服热扰动的影响和破坏，就必须在很
低的温度下才能实现原子核磁矩的有序排列；另一方面也是由于原子核磁矩很小，要从实验
中观测到原子核磁矩的有序排列也是很不容易的。
但是经过长期的和利用高新技术的实验研究，还是观测证实了许多物质中的原子核磁矩的有
序排列。例如，在金属铜(Cu)、LiH、CaF2、Ca(OH)2、PrNi5、PrC
u5等化合物和合金中已经在极低温度下观测到其中的铜(Cu)、锂(Li)、氢(H)、氟(F)、镨
(Pr)的原子核磁矩的互相平行排列的核铁磁性，或原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性
。铜(Cu)原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性是由铜原子核磁矩之间的磁偶极相互作用
产生的。
进一步实验和理论研究表明，铜(Cu)原子核磁矩在60纳开(nk，10-9K)到300微开(μK
，10-6K)的极低温度范围内已经观测到3种核反铁磁性有序磁结构。另外，化学元素
氦(He)有2种不同的同位素氦-4(4He)和氦-3(3He)，在自然界中氦－4占绝大多数，其核磁矩
和核自旋都为零，氦-3只占约万分之13(13×10-4)，但却具有核磁矩和核自旋。
在极低温度范围内和不同的高压下，固态氦-3的原子核磁矩具有不同的有序排列的核磁结构
。
高压下的固态氦-3在较低磁场和较低温度范围内的较复杂的核反铁磁结构，称为UUDD(上上
下下)核反铁磁结构。可以看出，在极低温度下出现的核磁矩有序排列的核磁结构也是多种
多样的，有的同磁性物质(材料)的原子磁矩有序排列的磁结构相同，也有少数表现出特殊的
核磁矩有序排列的核磁结构。
从上面的介绍可以看出，原子核的磁性虽然远比一般物质的磁性微弱，但是在一定的条
件下也可以表现出来，而且有的还有其特点，有的还得到了重要的应用。
