——回答“铁为什么有很强的磁性？”

  “在线言欢”上有这样的帖子：

问：铁为什么有很强的磁性？我曾经被一个学友问住了。他问：“铁为什么有很强的磁性？”我答：“铁材料中有磁畴。”他又问：“铁材料中为什么有磁畴？”我答：“相邻铁原子中的电子间有非常强的交换耦合作用。”他再问：“为什么相邻铁原子中的电子间有非常强的交换耦合作用？为什么铜、锰设有呢？”我哑然了。写此帖，求高人指点迷津。

我不是什么高人，但也翻阅了一些资料，尝试着回答，写了这么个粗浅的东西，希望与想兴味的友人沟通。

1 金属和金属中铁、钴、镍

    金属原子最外层电子(价电子)较少，即每个原子的外层仅有一、二个价电子绕核运转。因为原子核对较少价电子束缚较弱，且原子的外层仍存在较多的电子空位，能容外来电子进入，这样金属相邻原子间的价电子就可以自由地相互交换移动了，形成金属中的自由电子气，因而易于导电，也形成了金属键。 

金属中的铁、钴、镍，它们不但能够导电，还有很强的磁性(很高的磁导率)。这是为什么呢？这是因为：它们的相邻原子间，不只有价电子的自由移动，还有外层与次外层非常强的的电子交换耦合作用，从而可引发一小片原子的自发磁化，产生了小区域的磁畴。

什么是相邻原子间的外层与次外层电子交换耦合作用呢？这决定铁、钴、镍原子的核外电子结构和它们的晶体点阵结构。

2 铁、钴、镍的交换耦合作用浅述

2.1 交换作用

交换作用，实际上是两个相邻金属原子电子外层与次外 壳层的空缺和相互部分填充的问题。满足这个条件的，就是过渡族元素，见表1(摘自资料〔1〕)。

表1 元素周期表第4周期一些原子的核外电子分布

元素        K      L          M            N

           1s   2s  2p    3s  3p  3d      4s

Mn25      2    2   6     2   6    5       1

Fe26      2    2   6     2   6   6         2

Co27      2    2   6     2   6    7       2

Ni28       2    2   6     2   6    8       2

Cu29      2    2   6     2   6   10       1

以上元素，除铜外，都是过渡族金属。它们核外电子分布的特点是， 3d层(次外层)未被电子填满，而4s层(最外层，价层)却有了1或2个电子(当然4d层更远未填满)。这就能够发生下列现象：

一个原子的4s(或3d)层的一个(或两个)电子可能会跑到另一个原子的3d(或4s)层去了；另一个原子的4s(或3d)层的一个(或两个)电子可能会跑到这一个原子的3d(或4s层来了。我们把两个原子相互接近时，它们的3d层和4s层的电子可以相互交换位置现象，称为交换作用，

2.2 磁耦合作用

相邻原子的4s和3d层电子交换，不只是铁、钴、镍，还有锰(Mn)等元素，但锰并不能产生自发磁化，它不是铁磁质。这就是说，金属要具有铁磁性，只有“它的原子次外层有空位”、能够交换这个条件还不不够，还必须是交换能J为正，能使相邻原子的磁矩自发地排列在同一个方向上，即产生磁耦合作用，才可产生自发磁化。

金属原子间的电子交换会产生静电相互作力，也称交换力(实际上主要是电子自旋产生的磁力)，有交换力，自然就有交换能。当交换能J为正时，交换力会迫使相邻原子的磁矩产生朝向同一方向的有序排列，这就叫做电子自旋磁矩与原子的磁矩实现了磁耦合作用，这就产生了自发磁化。或者说，交换能J为正时，才有自发磁化的动力。

具备什么条件，才能产生磁耦合(自发磁化)作用呢？资料〔2〕介绍的斯莱特理论认为：这取决于原子的电子结构和晶体的点阵结构。设原子间的距离为α，原子的未填满次外层的半径为r，理论计算证明，铁磁质必须满足下列条件：

          a/r>3  或a>3r                 (1)

α-Fe，Co和Ni都符合这一条件，它们都是铁磁质；γ-铁，或其它的过渡族金属，如Cr和Mn，它们的α/r比值小于3，交换能为负，就没有自发磁化的动力、没有磁畴，就不是铁磁质了。

从表1可见铜(Cu)的3d层有10个电子，没有空位，很稳定，一般情况不会产生外层与次外层的交换作用，更谈不上磁偶合了。

参考文献

资料〔1〕褚圣麒编.原子物理学〔M〕.北京：高等教育出版社，1979.

资料〔2〕陆栋 蒋平编.固体物理学〔M〕. 北京：高等教育出版社，2011.