|
為什么有吸鐵石，卻沒有吸銅石和吸鋁石？這個問題比較復雜，我盡量用通俗易懂的語言，希望能夠幫助大家搞清楚這個問題。
簡單來講，吸鐵石是一種具有較強的自身磁場，并且能夠長時間保持其磁場的物體，它們可以是天然存在的，也可以由人工制造，在很久以前，人們就開始使用天然存在的吸鐵石。 雖然除了鐵之外，吸鐵石還可以對鎳、鈷、釓等金屬產生明顯的吸引力，但在過去的很長一段時間里，人們只知道它們能吸引鐵，所以就將其稱為吸鐵石，而這樣的稱呼也沿用至今。 那么，為什么吸鐵石只能吸引特定的物質呢？我們需要從原子的內部結構開始講起。 從微觀層面來看，原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子組成的，因為它們都存在著自旋，除此之外，電子還會在原子核外區域內做運動，所以它們都會產生微小的磁場（變化的電場會產生磁場）。
不過由于原子核產生的磁場強度遠小于電子，通常可忽略不計（電子的磁場強度可達原子核的1000倍），因此對于一個原子來講，其內部電子磁場的“疊加”效果，決定了它是否可以在整體上表現出磁性。 需要知道的是，電子在原子內部的分布是非常有規律的，我們可以將其簡單地理解為，原子內部存在著若干個電子軌道，每個軌道對應不同的能級，電子只能分布在這些軌道之中，而因為每個軌道容納電子的數量是有限的，所以它們有“填滿”和“未填滿”之分。 根據量子力學，對于“填滿”的軌道來講，其中的電子必須是成對的，而在“泡利不相容原理”的限制下，成對的電子不能處于完全相同的狀態，因此成對的電子，其磁場方向總是相反的，如此一來，它們的磁場就會“互相抵消”。
也就是說，一個原子想要在整體上表現出磁性，首先就要滿足兩個條件：1、其內部存在“未填滿”的電子軌道；2、“未填滿”的電子軌道之內，存在未成對的電子。 然而即使是滿足了這兩個條件的原子，其構成的宏觀物體也大概率不會被吸鐵石吸引，為什么會這樣呢？這其實是因為大量的原子在相互結合時，各個原子的磁場方向通常都是“雜亂無章”的，從整體上來講，它們的“疊加”效果也是“互相抵消”。 實際上，銅和鋁就是屬于這樣的情況，也正因為如此，就不存在什么吸銅石和吸鋁石了。
而鐵則是一種“另類”，科學家發現，在鐵原子相互結合形成晶體結構的過程中，其未成對的電子之間會產生一種特殊的量子效應，這被稱為“交換作用”（exchange interaction），而這種效應，就會使相鄰的鐵原子的磁場方向自發地趨向于一致。 對于宏觀的鐵質物品來講，由于其內部的原子數量太過龐大，幾乎不可能出現“所有原子的磁場方向都整齊劃一”這樣的情況，如此一來，其內部彼此相鄰的原子就會各自“抱團”，形成大量的“一小塊一小塊”的區域，在這些區域之內的原子，其磁場方向都是一致的，這也被稱為“磁疇”（Magnetic Domain）。
所以我們常見的鐵質物品，其內部其實是存在著大量的“磁疇”，由于這些“磁疇”的磁場方向也是“雜亂無章”的，從整體上來講，它們的“疊加”效果也就變成了“互相抵消”，所以常見的鐵質物品之間，就不會相互吸引。 由于“磁疇”的內部是磁場方向一致的原子，它們很容易受到外部磁場的影響，所以當我們用吸鐵石接近鐵質物品時，其內部眾多“磁疇”的磁場方向，就會在吸鐵石磁場的作用下變得高度有序，變得“整齊劃一”，這也被稱為“磁化”（magnetization）。
在“磁化”之后，鐵質物品就會在整體上表現出強大的磁性，自然就會與吸鐵石相互吸引了。實際上，前面提到的鎳、鈷、釓等金屬，它們之所以會被吸鐵石吸引，其實也是這個原理。 |
|
|
