为什么有吸铁石,却没有吸铜石和吸铝石?这个问题比较复杂,我尽量用通俗易懂的语言,希望能够帮助大家搞清楚这个问题。
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简单来讲,吸铁石是一种具有较强的自身磁场,并且能够长时间保持其磁场的物体,它们可以是天然存在的,也可以由人工制造,在很久以前,人们就开始使用天然存在的吸铁石。
虽然除了铁之外,吸铁石还可以对镍、钴、钆等金属产生明显的吸引力,但在过去的很长一段时间里,人们只知道它们能吸引铁,所以就将其称为吸铁石,而这样的称呼也沿用至今。
那么,为什么吸铁石只能吸引特定的物质呢?我们需要从原子的内部结构开始讲起。
从微观层面来看,原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的,因为它们都存在着自旋,除此之外,电子还会在原子核外区域内做运动,所以它们都会产生微小的磁场(变化的电场会产生磁场)。
不过由于原子核产生的磁场强度远小于电子,通常可忽略不计(电子的磁场强度可达原子核的1000倍),因此对于一个原子来讲,其内部电子磁场的“叠加”效果,决定了它是否可以在整体上表现出磁性。
需要知道的是,电子在原子内部的分布是非常有规律的,我们可以将其简单地理解为,原子内部存在着若干个电子轨道,每个轨道对应不同的能级,电子只能分布在这些轨道之中,而因为每个轨道容纳电子的数量是有限的,所以它们有“填满”和“未填满”之分。
根据量子力学,对于“填满”的轨道来讲,其中的电子必须是成对的,而在“泡利不相容原理”的限制下,成对的电子不能处于完全相同的状态,因此成对的电子,其磁场方向总是相反的,如此一来,它们的磁场就会“互相抵消”。
也就是说,一个原子想要在整体上表现出磁性,首先就要满足两个条件:1、其内部存在“未填满”的电子轨道;2、“未填满”的电子轨道之内,存在未成对的电子。
然而即使是满足了这两个条件的原子,其构成的宏观物体也大概率不会被吸铁石吸引,为什么会这样呢?这其实是因为大量的原子在相互结合时,各个原子的磁场方向通常都是“杂乱无章”的,从整体上来讲,它们的“叠加”效果也是“互相抵消”。
实际上,铜和铝就是属于这样的情况,也正因为如此,就不存在什么吸铜石和吸铝石了。
而铁则是一种“另类”,科学家发现,在铁原子相互结合形成晶体结构的过程中,其未成对的电子之间会产生一种特殊的量子效应,这被称为“交换作用”(exchange interaction),而这种效应,就会使相邻的铁原子的磁场方向自发地趋向于一致。
对于宏观的铁质物品来讲,由于其内部的原子数量太过庞大,几乎不可能出现“所有原子的磁场方向都整齐划一”这样的情况,如此一来,其内部彼此相邻的原子就会各自“抱团”,形成大量的“一小块一小块”的区域,在这些区域之内的原子,其磁场方向都是一致的,这也被称为“磁畴”(Magnetic Domain)。
所以我们常见的铁质物品,其内部其实是存在着大量的“磁畴”,由于这些“磁畴”的磁场方向也是“杂乱无章”的,从整体上来讲,它们的“叠加”效果也就变成了“互相抵消”,所以常见的铁质物品之间,就不会相互吸引。
由于“磁畴”的内部是磁场方向一致的原子,它们很容易受到外部磁场的影响,所以当我们用吸铁石接近铁质物品时,其内部众多“磁畴”的磁场方向,就会在吸铁石磁场的作用下变得高度有序,变得“整齐划一”,这也被称为“磁化”(magnetization)。
在“磁化”之后,铁质物品就会在整体上表现出强大的磁性,自然就会与吸铁石相互吸引了。实际上,前面提到的镍、钴、钆等金属,它们之所以会被吸铁石吸引,其实也是这个原理。好了,今天我们就讲到这里,欢迎大家关注魅力科学君,我们下次再见。