磁石為什么不會吸附銅、鋁等金屬？

千萬不要小瞧這個問題，因為直到1928年才有了真正的解釋，涉及到了一種純粹的量子效應（交換作用），在宏觀世界沒有可以與之類比的現象。

當然，也有簡單的回答：

銅、鋁等金屬不是鐵磁體，所以不能被磁鐵吸引。

至于什么是鐵磁體？

這就要從抗磁性、順磁性、鐵磁性一步步了解，如果直接講鐵磁體，你很可能會覺得莫名其妙。

抗磁性

所有物體都有抗磁性，因為所有物體內部都有電子。

我們可以試想一下，一個電子任意朝一個方向運動。現在施加一個垂直于電子運動方向的磁場，電子會受到洛倫茲力，做圓周運動。

電子做圓周運動就相當于一個小磁鐵，主要會產生與外部磁場方向相反的磁場，此時的電子就會被外部磁場排斥。

• 順便提醒一句，非勻強磁場才能產生“同極相斥，異極相吸”的現象。勻強磁場是沒法吸引小磁鐵的，只會讓小磁鐵轉個方向。
• 下面提到的磁場都是指非勻強磁場。

不管物體的哪個方向面對磁場，內部的電子都一定會有垂直于磁場方向的速度分量，所以物體一定會有被磁場排斥的趨勢，這就是抗磁性。

抗磁性通常都很弱，弱到我們平時根本察覺不到。

不過在外界磁場足夠強的時候，抗磁性還是可以被察覺到的，比如“磁懸浮青蛙”：

另外，超導體的抗磁性非常強，超導磁懸浮就是利用了超導體的“完全抗磁性”。

順磁性

有些物體除了抗磁性之外，還有順磁性。

這和組成物體的原子的結構有關系，原子內部有電子、質子、中子。

電子、質子、中子都有自旋磁矩，不用管自旋磁矩到底是什么意思，我們只需要知道電子、質子、中子本身就相當于一個小磁鐵。

原子中大部分電子、質子、中子的自旋磁矩都互相抵消了，抵消之后就不再相當于小磁鐵了。

不過有些電子的自旋磁矩不會互相抵消，這就是“未配對”的電子，具體內容有些復雜，在這里就不提了。

感興趣的讀者可以了解一下“泡利原理”和“洪特規則”。

如果原子中有“未配對”的電子，那么原子本身就相當于一個小磁鐵。

至于原子里面到底有沒有“未配對”的電子，需要看原子的原子序數，這也有些復雜，就不提了。

感興趣的讀者可以了解一下“構造原理”。

銅原子沒有“未配對”的電子，鋁原子、鐵原子有“未配對”的電子。

如果物體內部有“未配對”的電子，就相當于內部有大量的小磁鐵，平時這些小磁鐵無序排列，磁性互相抵消了，對外不顯磁性。

一旦外部施加磁場，物體內部的小磁鐵就會統一朝向一個方向，這就是磁化。

被磁化以后，物體就會被磁場吸引，這種性質就是順磁性。

順磁性通常會比抗磁性強，會掩蓋抗磁性。

• 所以同時具有順磁性和抗磁性的物體只會表現出順磁性，被稱為順磁體。
• 而具有抗磁性的物體只會表現出抗磁性，被稱為抗磁體。

順磁性也很弱，弱到我們平時根本察覺不到。

不過順磁性已經涉及到交換作用（一種純粹的量子效應）了，降低溫度，一些順磁體就會表現出一種新的性質：鐵磁性。

鐵磁性

之所以說交換作用是一種純粹的量子效應，是因為它與全同粒子不可分辨（僅存在于亞原子世界）有關。

微觀世界的粒子基本上都是全同粒子，電子就是一種全同粒子，可以簡單地把全同粒子理解成“完全一樣的粒子”。

世上沒有兩片一模一樣的雪花，但是有兩個一模一樣的電子，甚至于世上所有的電子都是一模一樣的！

交換作用引出了“交換能積分常數”。

我們不需要知道這個常數到底是什么，我們只需要知道每一種物質都有自己的“交換能積分常數”，這個常數越大，“未配對”的電子就會排列得越整齊。

“未配對”的電子整齊排列，就相當于一種自發磁化，相當于小磁鐵的原子就會整齊排列，形成局部的“大磁鐵”，也就是磁疇。

通常磁疇會無序排列，磁性互相抵消，對外不顯磁性。

物體內部一旦有自發形成磁疇，就會表現出鐵磁性，在外部磁場中磁化，磁疇整齊排列，會產生巨大的磁場。

鐵磁性產生的磁場是順磁性產生的磁場的成千上萬倍，可以產生直觀的現象，比如磁石吸鐵。

具有鐵磁性的物體就是鐵磁體，比如鐵、鈷、鎳。

鐵磁相變

一些讀者可能會疑惑：

• 自發形成磁疇，和順磁體在外部磁場中磁化，有什么本質區別嗎？
• 為什么產生的磁場差距那么大？

磁疇和順磁質磁化最大的區別就是：

磁疇中的小磁鐵（原子）排列得非常整齊，而順磁體磁化以后，小磁鐵（原子）的方向只是稍微轉動了一點點。

順磁體內部的原子在磁場中不僅會有排列整齊的趨勢，還會不斷熱運動，引起無序排列。

如果溫度過高，交換作用就無法和熱運動抗衡，磁疇內部的原子也會無序排列，磁疇也因此解體，鐵磁體就會變成順磁體，這就是鐵磁相變。

相變很常見，固體、液體、氣體的物態變換就是最常見的相變。相變有臨界點，比如熔點、沸點。

鐵磁相變的臨界點就是居里溫度，溫度超過居里溫度就是順磁體，低于居里溫度就是鐵磁體。

對稱性破缺

鐵磁體還有更深層的奧秘，上面提到的交換作用僅僅只是海森堡在1928年的解釋。

如今在量子力學的基礎上已經發展出了凝聚態物理，鐵磁體、鐵電體、反鐵磁體、反鐵電體、超導體、超流體、……這些神奇的現象都被歸納為對稱性破缺的產物。

對稱性破缺形成了這個豐富多彩的世界。