【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？

2022/11/05

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）。