由于磁懸浮，元素鉍可以在磁鐵之間“漂浮”。這種現(xiàn)象背后的科學(xué)原理是什么？
鉍（Bismuth）是一種不尋常的元素，我們?cè)谌粘Ｉ钪泻苌儆龅�。但是這種美麗的、彩虹色的金屬，發(fā)現(xiàn)在元素周期表的底部，表現(xiàn)出一些非凡的性質(zhì)。磁性懸浮 —— 鉍在兩塊磁鐵之間漂浮的能力 —— 可能是其中最有趣的一個(gè)。鉍和磁鐵之間的斥力非常強(qiáng)，它會(huì)使金屬懸浮起來(lái)。
但是，為什么鉍會(huì)被磁鐵強(qiáng)烈排斥呢？
麻省理工學(xué)院磁性材料化學(xué)家埃里克·里塞爾（Eric Riesel）認(rèn)為，答案可以歸結(jié)為鉍所表現(xiàn)出的磁性類型。每種材料都有磁性，這是由元素電子的量子特性 —— 自旋決定的。但是，這種自旋只能指向兩個(gè)方向（向上或向下），并且材料中所有自旋的組合精確地定義了該元素將表現(xiàn)出的磁性類型。
“大多數(shù)人都熟悉鐵磁體（永久磁鐵），比如鐵，自旋都是彼此對(duì)齊的，但也有反鐵磁體，自旋指向相反的方向，”埃里克·里塞爾告訴我們。
然而，還有另外一對(duì)磁性類別：順磁性和抗磁性。在順磁體中，當(dāng)你施加磁場(chǎng)時(shí)，材料中的自旋將與磁場(chǎng)成正比�？勾朋w對(duì)磁場(chǎng)施加了相反方向的力，將其排斥。
鉍是抗磁性材料的一個(gè)例子，但這不是我們從元素的電子構(gòu)型中所期望的行為。材料所表現(xiàn)出的磁性取決于電子的排列及其相應(yīng)的自旋。電子在被稱為殼層的定義層中圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，殼層又被進(jìn)一步細(xì)分為s、d、p和f軌道。
典型地，抗磁性材料具有閉殼結(jié)構(gòu)。這意味著一組特殊的軌道被完全填滿，電子被迫成對(duì)，一個(gè)指向上，另一個(gè)指向下 —— 本質(zhì)上抵消了自旋。相反，順磁性材料通常有部分填滿的軌道，這意味著電子是不成對(duì)的，它們的自旋可以在同一方向上對(duì)齊。
鉍在元素周期表的第15族。s、d和f軌道都是滿的，但是p軌道包含了可能的6個(gè)電子中的3個(gè)。所以鉍有部分填滿的軌道，應(yīng)該表現(xiàn)為順磁體。然而，它在元素周期表第六行的位置意味著，鉍還具有一些不尋常的重原子性質(zhì)。
同樣是麻省理工學(xué)院磁性材料化學(xué)家的伊拉·馬丁尼亞克（Ira Martyniak）說(shuō)：“在元素周期表中，在f塊之后發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素，它們最外層的電子繞原子核運(yùn)行的速度是光速的很大一部分。直接相對(duì)論效應(yīng)使6s和6p軌道收縮，并更靠近原子核，從而產(chǎn)生異常的物理和化學(xué)特征�！�
這些相對(duì)論效應(yīng)是鉍的許多驚人特性的原因，比如它的非常規(guī)超導(dǎo)性，它的極低熔點(diǎn)（520.7華氏度，或271.5攝氏度）和它的晶體不尋常的形狀。意想不到的抗磁性也不例外。
伊拉·馬丁尼亞克表示：“盡管鉍在其6p軌道上有未配對(duì)的電子，但由于6s和6p能級(jí)的相對(duì)論性收縮，6p電子產(chǎn)生的順磁性被抑制，鉍的行為在很大程度上受封閉殼層和大尺寸原子的支配，導(dǎo)致強(qiáng)烈的抗磁性�！�
抗磁性材料有許多有價(jià)值的應(yīng)用，包括電磁感應(yīng)銅線圈（用于發(fā)電）和高速磁懸浮列車的鋁制軌道。鉍本身太重，不能作為一種實(shí)用的材料普遍使用，但其強(qiáng)大的抗磁性意味著，它現(xiàn)在是超導(dǎo)體和量子計(jì)算的常見(jiàn)組成部分。
