摘要:铁钴镍等金属的电子排列遵循了洪特规则,因此在磁场中有了相互作用力,对外有了磁现象。
关键字:洪特规则 电子排列 能量最低原理

在日常生活中,金属是一种常常使用的材料,但不同的金属拥有不同的性质,比如说:铁、钴、镍等金属具有磁性,被我们常常用在工艺亦或者工业,在我们的生活中具有重大的作用。
但,为什么铁、钴、镍等金属拥有强磁性呢?
针对这个问题,我展开了以下探究:

  1. 是否是因为铁、钴、镍等金属原子结构不同?
  2. 铁、钴、镍等金属的电子排列是否独特?

为了简便探究,我统一用了铁(Fe)作为了本次探究活动的对象:

第一种猜想:

通过了解相关信息我们知道了磁现象的本质,就是核外电子在绕核运动时,产生了磁场。那么所有的金属都应该具有磁现象,但为何铁等金属的磁现象如此的强呢?

再进一步的了解,我们知道现阶段磁性物理学认为材料的磁性有三种来源:原子核磁矩,电子自旋磁矩以及轨道电子运动产生的轨道磁矩。后两种是主要的。由此可知金属需要外磁场才能具有磁现象,但铁可以自发磁化,不需要外磁场,因此铁具有了强磁性。
综上所述,经过第一个探究我们知道了铁的原子结构是有一些不同的。

第二种猜想:

量子力学告诉我们,电子在原子核外的运动是分层的,每层可以安放的电子也是不同的。根据能量最低原理,我们可以知道 所有的电子都应该倾向于待在内层,因为在原子的内层,能量是最低的所以更加稳定。
但实际并非如此的,在 1945 年奥地利物理学家泡利发现了泡利不相容原理——在一个物理系统中,不能有两个费米子(再本探究中为电子)不可以同处一个状态。有了泡利不相容原理我们就可以解释为什么原子内层只能放两个原子了——因为原子的内层只有一个电子轨道,在这个轨道中,它的能量和状态都已经是被确定了的,再加上电子具有自旋(两个电子的磁极指向相反),所以可以放下两个电子(状态不完全相同,因此不违反泡利不相容原理)。
那剩下的电子只能去其他层了——第二层,具有 4 个分轨道,可以容纳 8 个电子;第三层,具有 9 个分轨道,可以放 18 个电子……所以以此类推我们可以知道,Fe 是第 26 号元素,这样的话,第一层可以放 2 个电子,第二层可以放 8 个电子,第三层可以放 16 个电子——通过推到你可以发现 16 个电子并不能填满第三层,所以对于外层电子来说,它们可以选择不同的轨道,既可以两两配对去占据一个轨道,也可以一个占据一个轨道。

所以铁原子的电子究竟是怎样排列的?遵循洪特规则排列——每一个电子占据一个分轨道,这样偏离的话,能量最低。

通过研究我们发现,铁原子的电子并不能按照设想抵消(电子的南北两极相反,可以相互抵消对外显中性),因此对外显磁性,所以你用一个吸铁石建立一个磁场,铁就可以和这个磁场具有相互作用。
综上所述,铁钴镍等元素具有特殊的电子排列方式,因此电子所带来的磁性不能被抵消,在磁场中可以具有相互作用力,产生磁现象。

本文资料来自 知网 百科(百度,维基,头条) 《有趣的物理》
PS:排名不分先后