
磁铁吸引铁是众所周知的现象,但当我们尝试用磁铁去接近金银铜等金属时,结果往往令人失望。那么,为什么磁铁只对铁具有吸引力呢?这背后的原因要从原子的内部构造开始讲起。
原子是由原子核以及电子构成的,其中原子核带正电并自旋,而电子带负电并在自旋的同时围绕原子核运动。根据电磁理论,变化的电场会产生磁场,因此原子核和电子都会产生微小的磁场。其中,电子的磁场强度远高于原子核,通常可以达到千倍以上。一个原子能否表现出磁性,实际上取决于其内部电子产生的磁场叠加后的效果。
在原子内部,电子的排布遵循一定的规律。我们可以想象原子核外存在多个“壳层”,电子填充在不同的壳层中。越接近原子核的壳层,能级越低,电子更倾向于填充低能级的壳层。当低能级壳层填满后,多余的电子会填充到更外层的壳层。
在量子力学中,填满电子的壳层中的电子会成对排布。但由于泡利不相容原理的限制,这些电子不会处于完全相同的状态,它们的磁场方向会相互抵消。一个原子若想表现出磁性,其最外层的壳层不能是满电子状态。在已知的元素中,只有部分元素能满足这一条件,如过渡元素。
金、银、铜等金属元素与铁一样都属于过渡元素,那么为什么只有铁会被磁铁吸引呢?这涉及到铁原子形成晶体时的特殊量子效应——交换交互作用。这种效应使得相邻铁原子的磁场方向按照大致相同的方向排列。由于这种效应,铁原子会形成称为“磁畴”的区域。常见的铁质物品包含大量的磁畴,但在大多数情况下,这些磁畴的磁场方向并不一致,叠加效果相互抵消,因此不表现出磁性。当铁质物品接近磁铁时,磁畴的磁场方向会受到磁铁磁场的影响而变得一致,导致物品被磁化,进而与磁铁产生吸引力。
除了铁、镍、钴等少数元素外,大多数过渡元素在形成晶体时不会存在交换交互作用这种量子效应。包括金、银、铜在内的这些金属原子磁场的叠加效果相互抵消,在宏观上不表现出磁性,也就不会受到磁铁的吸引。
