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为何只有吸铁石,却没有吸铜石和吸铝石?铜和铝为何不能被磁化?

所属分类:时事聚焦    发布时间: 2021-10-09    作者:科学信仰
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大多数人早初领略到物理的魅力,都是从吸铁石开始的,从小我们便接触到了这种有趣的“石头”,学会了用这种“石头”来鉴别面前的金属是不是铁质的,可是为什么这个世界上只有能够吸铁的“石头”,却没有能够吸铜和吸铝的石头呢?


吸铁石又称为磁铁,但其实它既不是石头,也不是纯粹的铁质物体,一般的磁铁中还会含有很多其它物质,在物理学上,我们将磁铁称之为“永磁”,顾名思义就是一种在常温下永远能够表现出磁性的物质。永磁能够表现出磁性,而其它未能表现出磁性的物质并不等于就没有磁性,从本质上来讲,世界上所有的物质在微观层面都是具有磁性的,为什么这么说呢?这就要涉及到磁场的本质了。我们知道,电磁同源,所以要说磁,就不能不说电,而电子就是磁场产生的早初源头。


世界上的所有物质,铁也好、铜也罢,都是由一个个原子所组成的,而一个原子的结构大体可以分为两部分,即原子核与核外电子。

以铁原子为例,在原子核外就有26个电子分层排布,并围绕原子核运动。那么电子为什么要围绕原子核运动呢?因为在原子核之中有质子,而质子带正电,而核外电子是带负电的,根据同性相斥、异性相吸的原理,原子核外的电子便与原子核紧密地结合在了一起,于是一个完整的原子就形成了。

由于原子核内带正电的质子与原子核外带负电的电子数量相等,相互抵消,所以普通的原子都是不带电的,而一旦因为某种原因,少了或多了一个电子,那么原子则会成为带电的离子。虽然普通的原子是不带电的,但原子内的电子却实实在在拥有电荷,有了电荷,周围就一定会存在电场。

既然有了电场,想要把磁场弄出来就很容易了,只需要让带电的粒子动起来就可以了,而事实上,无论是电子还是原子核都没有一刻的停歇,始终处于运动之中。

电子存在着一种被称为“自旋”的运动,而电子的高速自旋就必然会产生磁场,这就是为什么我们说所有的物质在微观层面都是具有磁性的。有趣的是,虽然在微观层面,物质都具有磁性,但是在宏观层面,能够表现出磁性的物质却极为有限,在自然界之中,只有铁、钴和镍等少数几个金属物质具有天然磁性。为什么会这样呢?物质虽然都是由原子构成的,但不同的物质,原子的排布结构存在着极大的差异。我们可以这样理解,大多数物质的原子排布方向都不是整齐而规则的,所以原子的磁性则发生了相互抵消,于是由有磁性的原子构成的物质则没有了磁性。

一种物质要想具有天然磁性,至少要满足两个条件,一个是具有半满的外层电子层结构,另一个则是具有磁场同方向排成一列的晶体结构。

别看只有两个条件,就足以将世界上大部分的物质筛除出去,于是算下来只有上述的几种金属物质可以满足这两个条件了。那么为什么磁铁可以将铁吸起来呢?因为在正常情况下,铁块内部的磁性区域是随机分布的,所以磁场相互抵消,不能直接对外显示出磁性,而当磁铁靠近时,出现了一个外加磁场,在这个外加磁场的作用下,铁块内部的磁性区域方向则趋于一致,于是便对外显示出了磁性,与磁铁吸附在了一起。

铜之所以不能被磁化,是因为铜原子的电子壳层是充满的,当它受到外部磁场作用时,会产生电子环流,使得自身的磁性与外磁场方向相反,从而表现出抗磁性,所以铜也是一种典型的抗磁性物质。


铝与铜不同,由于铝原子之中存在着一个未成对的电子,所以在外加磁场的作用下,铝原子会顺着外加磁场线的方向排列,从而表现出顺磁性。顺磁性物质本身也是一种非磁性物质,但是其并非毫无磁性,如果使用精密仪器进行测量的话,就会发现在外加磁场的作用下,铝会依磁场方向出现非常微弱的磁化。总结一下,一种物质是否能够被某种神奇的“石头”吸起来,关键就在于这种物质是否能够被磁化,而一种物质能否被磁化,取决于这种物质的微观结构,这就是为什么世界上只有吸铁石,而没有吸铜石和吸铝石了。