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金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 金属铁
磁铁会吸引铁,这是一种众所周知的现象,相信大家都曾经尝试过用磁铁去接近其他的金属,看看磁铁能不能对其产生吸引力,然而“实验结果”往往是令人失望的,因为金、银、铜这些常见的金属,根本就不会被磁铁吸引。 金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力呢?

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磁铁会吸引铁,这是一种众所周知的现象,相信大家都曾经尝试过用磁铁去接近其他的金属,看看磁铁能不能对其产生吸引力,然而“实验结果”往往是令人失望的,因为金、银、铜这些常见的金属,根本就不会被磁铁吸引。

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力呢?这需要从原子的内部构造讲起。

我们知道,原子是由原子核以及电子构成,其中原子核带正电,并且存在着自旋,而电子带负电,并且电子在自旋的同时还会在原子核外的空间中运动,根据麦克斯韦方程,变化的电场会产生磁场,因此原子核和电子就会产生微小的磁场。


金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

相对而言,电子产生的磁场强度比原子核高得多,一般都可以达到1000倍,因此一个原子能不能在整体上表现出磁性,其实取决于原子内部的电子所产生的磁场在叠加之后的效果。

在原子的内部,电子的排布是非常有规律的,我们可以将其简单地理解为,原子核外存在着若干个“壳层”,越接近原子核的“壳层”,其能级就越低,而电子总是会趋向于填充能级更低的“壳层”。

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

每一个“壳层”都只能容纳特定数量的电子,所以当最低能级的“壳层”填满之后,其余的电子就会去填充其外侧的“壳层”,如果这一层也填满了,其余的电子就只能去填充更外侧的“壳层”……

根据量子力学的描述,在填满电子的“壳层”之中,电子总是会成对地排布,但由于“泡利不相容原理”的限制,它们不被允许处于完全相同的状态,在这种情况下,它们所产生的磁场方向就是相反的,其叠加效果就是“互相抵消”。

因此可以说,如果一个原子想要在整体上表现出磁性,其最外面的“壳层”就不能是满电子状态,而在已知的众多元素中,只有一部分才能满足这个条件,比如说元素周期表中的“过渡元素”(transition elements)。

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

可以看到,金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等金属元素与铁(Fe)一样都是“过渡元素”,那为什么偏偏只有铁会被磁铁吸引呢?我们接着看。

当铁原子形成晶体的时候,相邻铁原子的电子之间会存在着一种被称为“交换交互作用”(exchange interaction)的特殊量子效应,其产生的效果就是:使相邻铁原子的磁场方向按照大致相同的方向排列。

由于这种量子效应只能使原子磁场的方向“大致相同”,因此如果铁原子的数量太多,它们就只能形成一小块一小块的“原子磁场方向基本一致”的区域,这种区域就被称为“磁畴”(Magnetic Domain)。

实际上,常见的铁质物品都是属于“原子数量太多”这样的情况,毕竟铁原子实在是太小了(区区1立方厘米的铁块里包含的铁原子数量就有大约8.5 x 10^22个),所以我们可以简单地认为,常见的铁质物品中其实包含了大量的“磁畴”。

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

在绝大多数情况下,大量的“磁畴”聚集起来,各个“磁畴”的磁场方向在整体上并不能保持一致,于是它们的叠加效果就会“互相抵消”,所以常见的铁质物品通常也不会表现出磁性。

但“磁畴”有一个重要的特点,那就是它们的磁场方向很容易受到外界磁场影响,因此在铁质物品接近磁铁的时候,其内部的众多“磁畴”的磁场方向就会因为受到磁铁磁场的影响而变得“整齐划一”,进而在宏观层面上表现出磁性,这也被称为“磁化”。

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

在被“磁化”之后,铁质物品和磁铁之间就会发生电磁相互作用,并因此而相互吸引,于是就出现了“铁会被磁铁吸引”这种现象。

除了铁、镍、钴等极少数元素之外,其他的绝大部分“过渡元素”(包括金、银、铜在内)在形成晶体的时候,都不会存在“交换交互作用”这种量子效应,因此在这些元素构成的金属之中,各个原子磁场的方向都是杂乱无章的,于是这些原子磁场的叠加效果就出现了“互相抵消”,从而在宏观层面上不表现出磁性,也就不会被磁铁吸引了。

(责任编辑:化学自习室)
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