磁鐵會吸引鐵，這是一種眾所周知的現象，相信大家都曾經嘗試過用磁鐵去接近其他的金屬，看看磁鐵能不能對其產生吸引力，然而“實驗結果”往往是令人失望的，因為金、銀、銅這些常見的金屬，根本就不會被磁鐵吸引。
金銀銅鐵都是金屬，為什么偏偏只有鐵會被磁鐵吸引呢？這需要從原子的內部構造講起。
我們知道，原子是由原子核以及電子構成，其中原子核帶正電，并且存在著自旋，而電子帶負電，并且電子在自旋的同時還會在原子核外的空間中運動，根據麥克斯韋方程，變化的電場會產生磁場，因此原子核和電子就會產生微小的磁場。
相對而言，電子產生的磁場強度比原子核高得多，一般都可以達到1000倍，因此一個原子能不能在整體上表現出磁性，其實取決于原子內部的電子所產生的磁場在疊加之后的效果。
在原子的內部，電子的排布是非常有規律的，我們可以將其簡單地理解為，原子核外存在著若干個“殼層”，越接近原子核的“殼層”，其能級就越低，而電子總是會趨向于填充能級更低的“殼層”。
每一個“殼層”都只能容納特定數量的電子，所以當最低能級的“殼層”填滿之后，其余的電子就會去填充其外側的“殼層”，如果這一層也填滿了，其余的電子就只能去填充更外側的“殼層”……
根據量子力學的描述，在填滿電子的“殼層”之中，電子總是會成對地排布，但由于“泡利不相容原理”的限制，它們不被允許處于完全相同的狀態，在這種情況下，它們所產生的磁場方向就是相反的，其疊加效果就是“互相抵消”。
因此可以說，如果一個原子想要在整體上表現出磁性，其最外面的“殼層”就不能是滿電子狀態，而在已知的眾多元素中，只有一部分才能滿足這個條件，比如說元素周期表中的“過渡元素”（transition elements）。
可以看到，金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）等金屬元素與鐵（Fe）一樣都是“過渡元素”，那為什么偏偏只有鐵會被磁鐵吸引呢？我們接著看。
當鐵原子形成晶體的時候，相鄰鐵原子的電子之間會存在著一種被稱為“交換交互作用”（exchange interaction）的特殊量子效應，其產生的效果就是：使相鄰鐵原子的磁場方向按照大致相同的方向排列。
由于這種量子效應只能使原子磁場的方向“大致相同”，因此如果鐵原子的數量太多，它們就只能形成一小塊一小塊的“原子磁場方向基本一致”的區域，這種區域就被稱為“磁疇”（Ma.NETic Domain）。
實際上，常見的鐵質物品都是屬于“原子數量太多”這樣的情況，畢竟鐵原子實在是太小了（區區1立方厘米的鐵塊里包含的鐵原子數量就有大約8.5 x 10^22個），所以我們可以簡單地認為，常見的鐵質物品中其實包含了大量的“磁疇”。
在絕大多數情況下，大量的“磁疇”聚集起來，各個“磁疇”的磁場方向在整體上并不能保持一致，于是它們的疊加效果就會“互相抵消”，所以常見的鐵質物品通常也不會表現出磁性。
但“磁疇”有一個重要的特點，那就是它們的磁場方向很容易受到外界磁場影響，因此在鐵質物品接近磁鐵的時候，其內部的眾多“磁疇”的磁場方向就會因為受到磁鐵磁場的影響而變得“整齊劃一”，進而在宏觀層面上表現出磁性，這也被稱為“磁化”。
在被“磁化”之后，鐵質物品和磁鐵之間就會發生電磁相互作用，并因此而相互吸引，于是就出現了“鐵會被磁鐵吸引”這種現象。
除了鐵、鎳、鈷等極少數元素之外，其他的絕大部分“過渡元素”（包括金、銀、銅在內）在形成晶體的時候，都不會存在“交換交互作用”這種量子效應，因此在這些元素構成的金屬之中，各個原子磁場的方向都是雜亂無章的，于是這些原子磁場的疊加效果就出現了“互相抵消”，從而在宏觀層面上不表現出磁性，也就不會被磁鐵吸引了。
好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關注我們，我們下次再見。
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