磁铁与铁之谜：为何磁铁只对铁产生吸引力？

磁铁吸引铁是一个众所周知的现象，我相信我们都尝试过用磁铁接近其他金属，看看它们是否会被磁铁吸引，但实验结果往往令人失望，因为金、银和铜是不被磁铁吸引的常见金属。金、银、铜和铁都是金属，那么为什么磁铁只吸引铁？要做到这一点，我们需要看一下原子的内部结构。我们知道，原子由原子核和电子组成，其中原子核带正电，有自旋，而电子带负电，自旋时在原子核外的空间移动，根据麦克斯韦方程，变化的电场产生磁场，所以原子核和电子产生一个小磁场。

电子产生的磁场强度相对来说要比原子核的磁场强度大得多，通常可达到1000倍，因此，一个原子整体上不能表现出磁性，实际上取决于原子内电子产生的磁场叠加后的效果。在原子内部，电子以非常有规律的方式排列，这可以简单地理解为原子核外存在一定数量的壳层。电子总是倾向于填充最低的能级。每层只能容纳一定数量的电子，所以当最低能量层被填满时，其余的电子就会进入外层，如果这层也被填满，就会到达原子核。如果这一层也被填满了，剩下的电子就必须填满外层......。

根据量子力学，电子在填充的壳层中总是成对排列，但由于气泡不相容原理的限制，不允许它们处于完全相同的状态，在这种情况下，它们产生的磁场方向相反。在这种情况下，它们产生的磁场方向相反，它们的重叠具有相互抵消的效果。因此可以说，要使一个原子整体上具有磁性，其最外层的壳层不能充满电子，而在众多已知的元素中，只有一些元素，如周期表中的过渡元素，能够满足这一条件。在众多已知的元素中，只有少数能满足这一条件，如周期表中的过渡元素。

你可以看到，金（Au）、银（Ag）和铜（Cu）等金属都是过渡元素，铁（Fe）也是如此。让我们来看看。当铁原子形成晶体时，相邻铁原子的电子之间存在一种特殊的量子效应，称为交换作用，其作用是将相邻铁原子的磁场排列在大致相同的方向。由于这种量子效应只能使原子的磁场大致在同一方向，如果有太多的铁原子，它们只能形成一个原子的磁场大致在同一方向的小区域。这被称为磁域。事实上，就普通铁质物体而言，这是一个原子过多的情况--毕竟，铁原子是如此之小（仅1立方厘米就包含约8.5x10^22个铁原子），我们可以简单地假设普通铁质物体包含大量的磁域。

在大多数情况下，当大量的磁畴组合在一起时，各个磁畴的磁场并不都在同一方向上重合，因此它们的重叠效应会相互抵消这些磁畴的重叠效应会相互抵消，所以普通铁质物体通常不会表现出磁性。然而，磁畴的一个重要特点是，它们的磁场方向很容易受到外部磁场的影响，因此，当铁质物体靠近磁铁时，由于受到磁铁磁场的影响，里面的许多磁畴的磁场方向会变得均匀。这也被称为磁化。被磁化后，铁质物体和磁体之间发生电磁相互作用，导致相互吸引，因此出现了铁被磁体吸引的现象。

除了铁、镍和钴等少数元素外，其他大多数过渡元素（包括金、银和铜）在形成晶体时都没有交换相互作用的量子效应。这些原子场的叠加具有相互抵消的效果，因此在宏观层面上，它们没有磁性，也不会被磁铁吸引。好了，今天就说到这里，请关注我们，下次见。