磁铁会吸引铁，这是一种众所周知的现象，相信大家都曾经尝试过用磁铁去接近其他的金属，看看磁铁能不能对其产生吸引力，然而“实验结果”往往是令人失望的，因为金、银、铜这些常见的金属，根本就不会被磁铁吸引。

金银铜铁都是金属，为什么偏偏只有铁会被磁铁吸引呢？这需要从原子的内部构造讲起。

我们知道，原子是由原子核以及电子构成，其中原子核带正电，并且存在着自旋，而电子带负电，并且电子在自旋的同时还会在原子核外的空间中运动，根据麦克斯韦方程，变化的电场会产生磁场，因此原子核和电子就会产生微小的磁场。

相对而言，电子产生的磁场强度比原子核高得多，一般都可以达到1000倍，因此一个原子能不能在整体上表现出磁性，其实取决于原子内部的电子所产生的磁场在叠加之后的效果。

在原子的内部，电子的排布是非常有规律的，我们可以将其简单地理解为，原子核外存在着若干个“壳层”，越接近原子核的“壳层”，其能级就越低，而电子总是会趋向于填充能级更低的“壳层”。

每一个“壳层”都只能容纳特定数量的电子，所以当最低能级的“壳层”填满之后，其余的电子就会去填充其外侧的“壳层”，如果这一层也填满了，其余的电子就只能去填充更外侧的“壳层”……

根据量子力学的描述，在填满电子的“壳层”之中，电子总是会成对地排布，但由于“泡利不相容原理”的限制，它们不被允许处于完全相同的状态，在这种情况下，它们所产生的磁场方向就是相反的，其叠加效果就是“互相抵消”。

因此可以说，如果一个原子想要在整体上表现出磁性，其最外面的“壳层”就不能是满电子状态，而在已知的众多元素中，只有一部分才能满足这个条件，比如说元素周期表中的“过渡元素”（transition elements）。

可以看到，金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）等金属元素与铁（Fe）一样都是“过渡元素”，那为什么偏偏只有铁会被磁铁吸引呢？我们接着看。

当铁原子形成晶体的时候，相邻铁原子的电子之间会存在着一种被称为“交换交互作用”（exchange interaction）的特殊量子效应，其产生的效果就是：使相邻铁原子的磁场方向按照大致相同的方向排列。

由于这种量子效应只能使原子磁场的方向“大致相同”，因此如果铁原子的数量太多，它们就只能形成一小块一小块的“原子磁场方向基本一致”的区域，这种区域就被称为“磁畴”（Ma.NETic DomAIn）。

实际上，常见的铁质物品都是属于“原子数量太多”这样的情况，毕竟铁原子实在是太小了（区区1立方厘米的铁块里包含的铁原子数量就有大约8.5 x 10^22个），所以我们可以简单地认为，常见的铁质物品中其实包含了大量的“磁畴”。

在绝大多数情况下，大量的“磁畴”聚集起来，各个“磁畴”的磁场方向在整体上并不能保持一致，于是它们的叠加效果就会“互相抵消”，所以常见的铁质物品通常也不会表现出磁性。

但“磁畴”有一个重要的特点，那就是它们的磁场方向很容易受到外界磁场影响，因此在铁质物品接近磁铁的时候，其内部的众多“磁畴”的磁场方向就会因为受到磁铁磁场的影响而变得“整齐划一”，进而在宏观层面上表现出磁性，这也被称为“磁化”。

在被“磁化”之后，铁质物品和磁铁之间就会发生电磁相互作用，并因此而相互吸引，于是就出现了“铁会被磁铁吸引”这种现象。

除了铁、镍、钴等极少数元素之外，其他的绝大部分“过渡元素”（包括金、银、铜在内）在形成晶体的时候，都不会存在“交换交互作用”这种量子效应，因此在这些元素构成的金属之中，各个原子磁场的方向都是杂乱无章的，于是这些原子磁场的叠加效果就出现了“互相抵消”，从而在宏观层面上不表现出磁性，也就不会被磁铁吸引了。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。

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Mr.zhu

2025-04-26 20:59:32