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。