铋被磁铁如此强排斥，它悬浮。怎样呢？

By Victoria Atkinson( lifes-little-mysteries ) 2024/3/25

Chemistry

铋是一种彩虹色金属，似乎能在在两个磁铁之间漂浮，一种被称为“磁悬浮” 的现象。(Image credit: ProteanVisuals via Getty Images)

    铋是一种不寻常的我们在日常生活中很少遇到的元素。但这种漂亮的在元素周期表的底部附近发现彩虹色金属展示一些超常的属性。磁悬浮——铋的似乎漂浮在两个磁铁之间的能力——可能是最有趣的之一。铋和磁铁之间的排斥力是如此强，它造成金属来悬浮。

但为什么铋被磁铁如此强排斥呢？按照麻省理工学院的磁性材料化学家埃里克·里塞尔（Eric Riesel），答案归结到被铋展示的磁性类型。每种材料有磁性，由元素的电子的叫自旋的量子属性决定。但这种自旋只能指在两个方向中——向上或向下——并且在一种材料中所有自旋的组合准确的定义元素将展示的磁性类型。

里塞尔告诉生活科学杂志， “大多数人都熟悉像铁这样的铁磁体（永磁体），其中自旋都与彼此对齐，但也有反铁磁体，其中自旋被指向在彼此相反方向中”。

然而，还有另一对磁性类别：顺磁性和抗磁性。他说，“在顺磁体中，当你施加一个磁场时，该材料中的自旋将与正比于它的强度的磁场对齐，抗磁体对排斥场在反方向中施加一个力” 。

元素铋的描画。(Image credit: White Space Illustrations via Shutterstock)

铋的未填充满的外壳意味着它应该被磁是微弱的吸引，但相对论性重原子效应意味着我们不能仅从铋的电子结构来预测铋的磁性。

铋是一个抗磁性材料的例子，而这不是我们会从元素的电子结构期望的行为。被一个材料展示的磁性类型依靠电子的排列及它们的相应的自旋。电子在叫壳层的被定义的层中环绕原子核，这些层被进一步细分为叫s、d、p 和f 轨道的级别。

通常，抗磁性材料有一个封闭的壳结构。这意味着一组特定的轨道已经被完全充满，电子已经被迫配对，一个指向上方另一个指向下方——基本上抵消了自旋。相反，顺磁性材料通常有部分填充的轨道，这意味着电子没有被配对并且能在同一方向中对齐它们的自旋。

铋处在元素周期表的第15 族。s、d 和f 轨道都是满的，但 p 轨道包含可能的六个电子中的三个。因此，铋有部分填充的轨道，并且应该像顺磁体一样行为。然而，它在元素周期表第六行的位置意味着铋也拥有一些不寻常的重原子属性。

麻省理工学院的磁性材料化学家伊拉马提尼亚克说，“在元素周期表中f区之后发现的化学元素它们的最外层的电子以光速的显要部分环绕原子核，直接相对论效应使6s和6p轨道收缩并驻留在更靠近原子核的地方，这诞生异常的物理和化学特征”。

这些相对论效应对铋的许多令人惊讶的属性是负责的，例如它的非常规的超导性，它的极低的熔点（520.7华氏度或271.5摄氏度）以及它的晶体的不寻常形状。出乎意料的抗磁性是不例外的。

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马提尼亚克告诉生活科学杂志， “即便铋在它的6p轨道上有不成对的电子，但由于6s和6p能级的相对论收缩，来自6p电子的顺磁性被抑制，铋的行为主要被封闭的壳层和原子的大尺寸统治，导致强烈的抗磁性”。

抗磁性材料有许多有价值的应用，包括在铜线圈中的电磁感应（被用于发电）和高速磁悬浮列车的铝轨道。铋本身太重不能成为一般用途的一种实用材料，但它的强大的抗磁性意味着它现在是超导体和量子计算中的一个常见成分。

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