자석의 양자역학적 해석

물리학자들은 원자에 대한 연구를 통해 전자는 스스로 회전운동을 하고 있음을 알게 되었고 이 전자스핀에 의 해 수반되는 자기로 인해 전자는 그 자체가 자석이 됨이 밝혀진 것이다. 양자역학적 해석에 의하면 분자자석이란 바로 이 스핀에 의한 자기였고 분자자기장은 전자 스핀끼리의 교환상호작용이었다. 이렇게 하여 강자성과 상자성의 수수께끼는 풀리게 되었다.

  그러나, 원자 속에는 전자의 스핀운동 외에도 원자핵 주위를 운동하는 전자의 궤도각운동량도 존재하며 이것에 수반되는 자기능률이라는 것이 있다. 그렇다면 이것에 의한 자기도 분명 물질의 자성에 영향을 미칠 것이다.
  전자가 핵 주위를 회전함으로써 생기는 자기장은 전자에 가하여진 외부 자기장을 없애려는 방향으로 향한다는 것이 고전 전자기학에 의해 밝혀졌으며 이것은 렌쯔의 법칙이라고 알려져 있다. 따라서 전자의 공전만을 생각한다면 모든 물질은 반자성체가 된다. 그렇지만 자성은 전자의 공전에 의해서만 생기는 것이 아니라 전자의 스핀에 의해서도 생긴다. 이 전자의 스핀에 의한 자기 때문에 물질의 자성은 상자성, 강자성, 그리고 반자성의 세 가지로 나타나게 되는 것이다. 즉, 공전에 의한 자성과 스핀에 의한 자성 중에 어느 것이 더 강한가에 따라 상자성이나 강자성이 될 수도 있고 반자성이 될 수도 있는 것이다.

  전자스핀은 두 가지 상태, 즉 우회전과 좌회전 상태가 있다. 그러므로 만약 서로 반대 방향으로 회전하는 두 전자가 어울리게 되면 스핀 자기능률은 상쇄되어 버린다. 이때 물질은 전자의 궤도 각운동량에 의해 생기는 반자성만을 가지게 된다. 반면에 짝이 없는 전자를 가지고 있는 물질의 경우는 상쇄되지 않은 스핀 자기능률이 존재하며 이것이 반자성을 극복하여 상자성을 나타내게 된다.²²⁾