【科學科普】金銀銅鐵都是金屬,為什麼磁鐵只會對鐵產生吸引力?

磁鐵會吸引鐵,這是一種眾所周知的現象,相信大家都曾經嘗試過用磁鐵去接近其他的金屬,看看磁鐵能不能對其產生吸引力,然而「實驗結果」往往是令人失望的,因為金、銀、銅這些常見的金屬,根本就不會被磁鐵吸引。

金銀銅鐵都是金屬,為什麼磁鐵只會對鐵產生吸引力呢?這需要從原子的內部構造講起。

我們知道,原子是由原子核以及電子構成,其中原子核帶正電,并且存在著自旋,而電子帶負電,并且電子在自旋的同時還會在原子核外的空間中運動,根據麥克斯韋方程,變化的電場會產生磁場,因此原子核和電子就會產生微小的磁場。

相對而言,電子產生的磁場強度比原子核高得多,一般都可以達到1000倍,因此一個原子能不能在整體上表現出磁性,其實取決于原子內部的電子所產生的磁場在疊加之后的效果。

在原子的內部,電子的排布是非常有規律的,我們可以將其簡單地理解為,原子核外存在著若干個「殼層」,越接近原子核的「殼層」,其能級就越低,而電子總是會趨向于填充能級更低的「殼層」。

每一個「殼層」都只能容納特定數量的電子,所以當最低能級的「殼層」填滿之后,其余的電子就會去填充其外側的「殼層」,如果這一層也填滿了,其余的電子就只能去填充更外側的「殼層」……

根據量子力學的描述,在填滿電子的「殼層」之中,電子總是會成對地排布,但由于「泡利不相容原理」的限制,它們不被允許處于完全相同的狀態,在這種情況下,它們所產生的磁場方向就是相反的,其疊加效果就是「互相抵消」。

因此可以說,如果一個原子想要在整體上表現出磁性,其最外面的「殼層」就不能是滿電子狀態,而在已知的眾多元素中,只有一部分才能滿足這個條件,比如說元素周期表中的「過渡元素」(transition elements)。

可以看到,金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等金屬元素與鐵(Fe)一樣都是「過渡元素」,那為什麼偏偏只有鐵會被磁鐵吸引呢?我們接著看。

當鐵原子形成晶體的時候,相鄰鐵原子的電子之間會存在著一種被稱為「交換交互作用」(exchange interaction)的特殊量子效應,其產生的效果就是:使相鄰鐵原子的磁場方向按照大致相同的方向排列。

由于這種量子效應只能使原子磁場的方向「大致相同」,因此如果鐵原子的數量太多,它們就只能形成一小塊一小塊的「原子磁場方向基本一致」的區域,這種區域就被稱為「磁疇」(Magnetic Domain)。

實際上,常見的鐵質物品都是屬于「原子數量太多」這樣的情況,畢竟鐵原子實在是太小了(區區1立方厘米的鐵塊里包含的鐵原子數量就有大約8.5 x 10^22個),所以我們可以簡單地認為,常見的鐵質物品中其實包含了大量的「磁疇」。

在絕大多數情況下,大量的「磁疇」聚集起來,各個「磁疇」的磁場方向在整體上并不能保持一致,于是它們的疊加效果就會「互相抵消」,所以常見的鐵質物品通常也不會表現出磁性。

但「磁疇」有一個重要的特點,那就是它們的磁場方向很容易受到外界磁場影響,因此在鐵質物品接近磁鐵的時候,其內部的眾多「磁疇」的磁場方向就會因為受到磁鐵磁場的影響而變得「整齊劃一」,進而在巨觀層面上表現出磁性,這也被稱為「磁化」。

在被「磁化」之后,鐵質物品和磁鐵之間就會發生電磁相互作用,并因此而相互吸引,于是就出現了「鐵會被磁鐵吸引」這種現象。

除了鐵、鎳、鈷等極少數元素之外,其他的絕大部分「過渡元素」(包括金、銀、銅在內)在形成晶體的時候,都不會存在「交換交互作用」這種量子效應,因此在這些元素構成的金屬之中,各個原子磁場的方向都是雜亂無章的,于是這些原子磁場的疊加效果就出現了「互相抵消」,從而在巨觀層面上不表現出磁性,也就不會被磁鐵吸引了。


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