銅的奧秘：為甚麼它不是磁性的，卻能與磁體產生神奇的效應？| 2024 小葫蘆的宇宙頻道

我們每天都會接觸到銅 它是電線、金屬管、廚具等常見物品的主要成分 我們都知道銅不會被磁鐵吸引 這似乎很正常 因爲銅不是鐵磁性的 但是如果你用一個強大的磁鐵靠近一塊銅板 你會發現銅板會阻礙磁鐵的移動 甚至可以讓磁鐵懸浮在空中 這是怎麼回事 銅到底有沒有磁性 它又是如何與磁體相互作用的呢 要回答這些問題 我們首先要了解什麼是磁性 磁性是一種物質對磁場的反應 磁場是由電流或磁體產生的一種立場 可以吸引或排斥其他物質 磁性的強弱取決於物質的原子結構 特別是原子中的電子 電子是一種帶負電荷的微觀粒子 它們圍繞原子和旋轉形成不同的軌道層 每個軌道層可以容納一定數量的電子 當一個軌道層被填滿後 電子就會進入下一個軌道層 電子的分佈決定了原子的化學性質 也影響了原子的磁性 除了旋轉 電子還有另一種量子特性 叫做自旋 自旋可以理解爲電子的內部磁場 它有兩種可能的方向 向上或向下 當電子的自旋方向相同 它們就會形成一個磁矩 也就是一個微小的磁體 當電子的自旋方向相反 它們就會相互抵消 沒有磁矩 根據電子的自旋和分佈 物質可以分爲三種不同的磁性類型 鐵磁性 順磁性 和二磁性 鐵磁性是我們最熟悉的一種磁性 它是由於原子中有位配對的電子 它們的自旋方向相同 形成了強大的磁矩 這些磁矩可以在外部磁場的作用下 排列成一致的方向 從而增強了物質的磁性 鐵磁性物質可以被磁鐵吸引 也可以製成永久磁鐵 鐵、鎳和鈷 是最常見的鐵磁性元素 順磁性是一種較弱的磁性 它是由於原子中有位配對的電子 但它們的自旋方向是隨機的 沒有形成磁矩 當外部磁場施加時 這些電子的自旋 會傾向於與磁場方向一致 從而產生了一個很小的磁矩 這樣 順磁性物質就會被磁鐵輕微的吸引 但這種效應是暫時的 一旦磁場消失 磁矩也就消失了 順磁性物質的例子 有氧氣、鈉和鋁等 二 磁性是一種最弱的磁性 它是由於原子中的電子都是成對的 它們的自旋方向相反 完全抵消了磁矩 當外部磁場施加時 這些電子對會發生微小的變化 使得與磁場方向相反的電子會稍微增多 從而產生了一個與磁場方向相反的很小的磁矩 這樣 二磁性物質就會對磁鐵產生微小的排斥力 但這種效應也是暫時的 一旦磁場消失 磁矩也就消失了 二 磁性物質的例子有金、銀和銅等 銅就是一種典型的二次性元素 它的原子序數是29 也就是說它的原子核有29個質子 它的原子中有29個電子 按照元素週期表的規律 銅的電子應該分佈在4個軌道層 分別是1s2s2p3s3p4s3d 其中 s軌道可以容納2個電子 p軌道可以容納6個電子 d軌道可以容納10個電子 這樣 銅的最外層4s軌道上有2個電子 3d軌道上有9個電子 但是 銅的電子分佈有一個特殊的現象 就是它會從4s軌道上轉移一個電子到3d軌道上 使得3d軌道完全填滿 而4s軌道只剩下一個電子 這種轉移的原因是 當3d軌道完全填滿時 電子之間的排斥力會減小 從而降低了原子的能量 使得原子更加穩定 這種現象在元素週期表 中央的一些金屬元素中都會發生 比如鐵 鈷 鎳等 這種電子分佈對銅的磁性有什麼影響呢 首先我們可以看到 銅的3d軌道上的電子都是成對的 它們的自旋方向相反 沒有此舉 其次 我們可以看到 銅的4s軌道上只有一個電子 它是未配對的 有此舉 這個未配對的4s電子 使得銅具有了一種特殊的性質 那就是它是一種優良的導體 導體是一種能夠讓電流順暢流動的物質 電流是由電子的移動產生的 在導體中 最外層的電子不是緊緊地綁定在原子上 而是可以自由地在導體內部移動 形成一種叫做電子海的狀態 當導體接通電源時 電子就會受到電場的作用 沿着電源的方向流動 形成電流 銅的4s電子就是這樣一種自由電子 它可以在銅的原子之間自由穿梭 使得銅的電阻很低 電流很容易在其中流動 銅的導電性是我們今天發電和使用電力的基礎 它可以用來製作電線、電纜、電路等 銅的導電性也與它的磁性有關 因爲磁場和電流是相互作用的 物理學中有一個重要的定律 叫做倫茲定律 它描述了磁場和電流之間的關係 倫茲定律的內容是 當一個導體在磁場中運動時 或者一個磁場在導體周圍變化時 會在導體中產生一個感應電流 這個感應電流的方向是與磁場的變化相反的 這個定律可以用來解釋銅與磁體產生的神奇的效應 當我們用一個強大的磁鐵靠近一塊銅板時 磁鐵的磁場會在銅板周圍變化 這就會在銅板中產生一個感應電流 這個感應電流的方向是與磁鐵的移動方向相反的 也就是說 如果磁鐵向銅板靠近 感應電流就會從銅板遠離磁鐵的一邊流向靠近磁鐵的一邊 反之亦然 這個感應電流也會產生一個磁場 這個磁場的方向是與磁鐵的磁場相反的 也就是說 如果磁鐵的北極向銅板靠近 感應電流的磁場就會在銅板的北極面向磁鐵 反之亦然 這樣銅板的磁場就會與磁鐵的磁場相互排斥 從而阻礙磁鐵的移動 甚至可以讓磁鐵懸浮在空中 這種現象被稱爲磁懸浮 是一種利用電磁感應產生的反作用力的技術 磁懸浮的原理不僅適用於銅 還適用於其他導體 比如鋁 金 銀等 只要導體能夠產生足夠大的感應電流和感應磁場 就可以與磁鐵產生磁懸浮的效果 磁懸浮有許多實際的應用 比如磁懸浮列車 磁懸浮風扇 磁懸浮揚聲器等 磁懸浮的優點是可以減少摩擦 提高速度和效率 降低噪音和磨損 除了磁懸浮 銅還有其他與磁性相關的奇妙現象 比如超導和麥斯納效應 超導是一種物質在極低溫度下 電阻突然變爲零 電流可以無損耗的流動的現象 超導物質在磁場中會表現出一種 叫做麥斯納效應的性質 就是它會將磁場完全排斥出自己的內部 形成一個完美的磁屏蔽 這種效應可以用來製造超導磁體 它們可以產生比普通磁體更強大的磁場 用於核磁共振 粒子加速器 磁懸浮列車等領域 銅在極低溫度下也可以成爲一種超導物質 但它的超導溫度非常低 約爲-273.15度 C也就是絕對零度 這是因爲銅的原子結構 使得它的電子很難形成一種 叫做庫珀對的狀態 這是超導現象的關鍵 庫珀對是由兩個自旋相反的電子 組成的一種量子束縛態 它們可以在間隔的振動下相互吸引 從而克服了庫輪排斥力 庫珀對在超導物質中 可以無阻礙地流動 形成超流態 不受外部磁場的影響 銅的超導性是在2017年 被一組德國科學家發現的 他們利用一種叫做原子層外延的技術 將銅的原子沉積在一種叫做B的金屬上 形成了一層只有一原子厚的銅薄膜 他們發現 這種銅薄膜在這-273.15度C的溫度下 表現出了超導性 這是因爲B的金隔結構 對銅的電子產生了一種叫做 電子生子偶合的作用 使得銅的電子能夠形成庫珀隊 這一發現 爲銅的超導研究開闢了新的可能性 也爲超導物理學提供了新的視角