誰能從結構上解釋一下鐵，鈷，鎳為什麼可以被磁化，別的金屬不可以？

01-06

為什麼磁場只能對鐵，鈷，鎳三種金屬產生力的作用，對銅，銀，鋁，鎂什麼的都沒有這種作用？

2016年4月9日更新：在原答案後加增動畫版

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我理解的是，題主想問的是為什麼Fe、Co和Ni具有鐵磁性，而像Cu、Ag、Mg和Al為什麼沒有？

其實，在《固體物理》中有很詳細的描述，算了，我這裡手打吧······

在《電磁無損檢測》中有一段話：

根據物質在磁場作用下的表現可大致分為三類：

1）順磁性物質：在磁場作用下產生與外磁場相同的附加磁場，可理解為使原有磁場小小增強；

2）抗磁性物質：在磁場作用下產生與外磁場相反的附加磁場，可理解為使原有磁場減弱；

3）鐵磁性物質：在磁場作用下產生產生與外磁場相同的強烈的附加磁場，可理解為使原有磁場大大增強。

按照近代物理學的觀點，金屬是由自由電子和點陣離子構成，而自由電子和離子分別具有順磁性和抗磁性，最終的作用結果要看不同的元素中哪種成分所佔的影響更大。

而在非金屬單質中，根據《無機化學》中的鍵合理論，原子基本上是以共價鍵結合的，因此共價鍵電子對上產生的磁矩相互抵消，表現為抗磁性（氧和石墨除外）。

這是一張元素周期表：

圖片來自：元素周期表_元素周期表口訣

根據實驗結果，可得磁性元素周期表：

圖片來自：下載文件: 元素周期表.rar

上圖中，綠色表示具有鐵磁性的元素，在元素下方的數字表示相應的居里溫度（居里點_百度百科）。

在元素周期表中，接近非金屬的一些金屬元素，如Sb、Bi、Ga、和Sn等，它們的自由電子在原子價增加時逐步向共價結合過渡，故表現出異常的抗磁性。
而對於Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等金屬，點陣離子所產生的抗磁性大於自由電子的順磁性，所以它們是抗磁性物質。
由於自由電子產生的順磁性佔據了主導地位，所有的鹼金屬和除Be以外的鹼土金屬（包括題主所提到的Mg）都是順磁性物質。
三價金屬鋁（Al）、硒(Se)、鑭(La)也是順磁性。

因為稀土金屬的4f或5d電子殼層未填滿，存在未抵消的自旋磁矩，因此它們的順磁性較強，並且磁化率較大，遵守居里-外斯定律（居里-外斯定律）。
由於過渡金屬元素的3d到5d電子殼層沒有填滿，電子未抵消的自旋磁矩形成了晶體離子的固有磁矩，從而產生了強烈的順磁性。其中，
Fe、Co和Ni具有鐵磁性，而Cr和Mn存在反鐵磁轉變（上圖黃色標記）。

——摘自《金屬的抗磁性與順磁性》，源地址：教學網站

從上面可以看出，原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態是產生鐵磁性的必要條件，下面是我自己畫的Fe、Co和Ni的很簡陋核外自旋電子排布：

鐵的3d狀態有四個空位，鈷的3d狀態有三個空位，鎳的3d 態有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁矩。

但是，上面也說到了，像錳和鉻這種具有很多空位的特殊情況，他們理應產生很強的鐵磁性但是他們卻不是。因此鐵磁性不僅僅在於元素的原子磁矩是否高，而且還要考慮形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個條件：

根據鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對於過渡族金屬，原子的3d的狀態與4s態能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態電子的再分配。

這種交換便產生一種交換能Eex(與交換積分有關)：
Eij表示交換作用能，Si和Sj是第i和第j個電子的自旋角動量，Aij是i、j兩電子間的交換積分。

——摘自《海森堡理論》，源地址：鐵磁性物質_百度百科

此交換能有可能使相鄰原子內d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。量子力學計算表明，當磁性物質內部相鄰原子的電子交換積分為正時(A＞0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現自發磁化。這就是鐵磁性產生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應，其本質仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強磁場一樣。

外斯分子場（分子場理論_百度百科）就是這樣得名的。理論計算證明，交換積分A不僅與電子運動狀態的波函數有關，而且強烈地依賴子原子核之間的距離Rab (點陣常數)。看下圖：

圖片摘自：教學網站

只有當原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大於3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發磁化的條件。鉻、錳的A是負值，不是鐵磁性金屬，但通過合金化作用，改變其點陣常數，使得Rab/r之比大於3，便可得到鐵磁性合金。

綜上所述，鐵磁性產生的條件：①原子內部要有末填滿的電子殼層；②及Rab/r之比大於3使交換積分A為正。前者指的是原子本徵磁矩不為零；後者指的是要有一定的晶體結構。

到目前為止,僅有四種金屬元素在室溫以上是鐵磁性的，即鐵，鈷，鎳和釓。
極低低溫下有五種元素是鐵磁性的，即鋱、鏑、鈥、鉺和銩。
居里溫度分別為：鐵768℃，鈷1070℃，鎳376℃，釓20℃。

——摘自求教磁鐵為何只能吸引鐵鈷鎳

下面補充一個外斯的鐵磁性假說，即磁疇理論：

鐵磁物質內部存在很強的「分子場」，在「分子場」的作用下，原子磁矩趨於同向平行排列，即自發磁化至飽和，稱為自發磁化；鐵磁體自發磁化分成若干個小區域（這種自發磁化至飽和的小區域稱為磁疇），由於各個區域（磁疇）的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。

摘自《百度百科》，源地址：磁疇_百度百科

圖片來自：磁疇理論

這是據說用顯微鏡觀察到的磁疇：

圖片來自：http://zh.wikipedia.org/wiki/

近代以來，為了理解一些與「分子場」理論相悖的或者無法解釋的現象，例如3d過渡金屬族原子的磁矩大小都不是整數，在居里點以上，Fe服從海森伯模型，而對於Cr而言，顯示出不服從海森伯模型，等等。

很多科學家建立了多種模型來解釋這些「異常」現象：

1.Stoner的斯通納能帶磁性模型：

這個模型的最大作用就是這個函數：

圖片摘自：第六章金屬磁性的能帶模型理論

用這個函數就可以得到：

圖片摘自：第六章金屬磁性的能帶模型理論

解釋了實驗里「3d過渡金屬族原子的磁矩大小都不是整數」的問題。

用這個模型就可以導出非常有名的金屬鐵磁性的斯通納（Stoner）判據：

圖片來自：斯托納判據 - 豆丁網

但是能帶磁性模型有一些缺陷，自行百度吧。

2.守谷亨和Murata等人用自旋漲落來統一局域電子模型和巡遊電子模型：

圖片來自：斯托納判據 - 豆丁網

另外，我是學電化學的，這些只是引用別人的成果，如果您看懂了就好，不懂的問我也沒用，哈哈哈哈哈哈哈嘎嘎嘎嘎嘎嘎嘎嘎嘎。

再更新一下最新的進展，在《Nature》上最近有一篇文章，名為：「Beating the Stoner criterion using molecular interfaces」。

在這篇文章中，Cespedes和他的同事將銅和錳的金屬薄膜置於富勒烯層上，之所以選擇富勒烯是因為它能很容易地將電子從金屬薄膜上剝離下來，使這層薄膜具有部分磁性。當施加的外部磁場撤離後，還會留下大約10%的感應磁場，從而產生弱磁性。
Cespedes希望這種創新技術能夠在多個領域都有應用前景，比如為磁共振成像（MRI）提供一個具有更好生物相容性和環境友好度的造影劑，或者，為風力發電機提供材料更廉價更易獲得的磁鐵。但是，由於很多應用需要強磁鐵（比如風力發電機），因此這種金屬有機雜化材料還有很長的路要走。

——摘自《Nature》：銅有沒有磁性？富勒烯說了算

圖片來自《Nature》 524, 69–73 (06 August 2015)/doi:10.1038/nature14621

源地址：http://www.nature.com/nature/journal/v524/n7563/pdf/nature14621.pdf

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動畫版：

我們先從一部動畫（https://www.youtube.com/watch?v=hFAOXdXZ5TM）開始：

如果你把兩塊木頭放在一起，什麼也不會發生：

你把兩塊花崗岩放在一起，還是什麼都沒有發生：

蛋是，如果你把兩鐵塊放到一起~~~~~~~~奇蹟（magic）出現了！

額···········應該說是磁鐵（magnet）出現了。

帶磁的物質能夠在遠距離神奇地相互吸引，究是因為他們產生了磁場。而這些隱形的磁場能夠延展到物體之外。但是，我們的疑問在這擺著：這些磁場是從哪裡來的呢?

嘿嘿，我們很早以前就知道了電和磁力其實是一回事，就像質量和能量抑或時間和空間（這個本人不贊同）是一回事一樣，它們可以彼此之間相互轉換。

其實，磁場就是帶電的物體移動時產生的電場所轉化過來的。

這就解釋了為什麼當電流通過這條電線時，這個針會轉動：

這也解釋了地球外核中電流產生了地球的磁場：

但是磁棒或者指南針只不過是不帶電的金屬塊而已呀。這有怎麼解釋呢？

是嗎？從微觀上看，大量的電子穿梭在任何固體的原子和分子中。

所以這就引出了一個很棒的觀點：任何日常物體的帶磁現象都感受到了來自以下幾方面作用力的合力的有趣影響——從粒子到原子，到原子的集合，再到這些集合組成的集合：

首先，單獨的粒子：

與重力和電力的日常工作原理不同，永磁只能通過量子力學效應來理解。

就像各類粒子，如電子和夸克，有固有的屬性，如質量和電荷一樣，大部分粒子還有另一種固有屬性，叫做「微型磁鐵」。哈哈，開玩笑的，應該叫做「固有磁矩」。

但這只不過是煩人的專業術語，究其本質，其實就是帶電的粒子都是微型的磁鐵：

如果你想知道為什麼它們都是微型的磁鐵，你就得先知道為什麼粒子本身會帶電，或為什麼帶有能量或動量的物體在重力的作用下能相互吸引？沒人知道答案，我們只知道這就是宇宙運行的方式而已。

而且，從上世紀20年代開始，我們就認識到了單個的電子或者質子大體上就是一個微型的磁鐵：

說到這，我們就來談談原子：

原子是由帶正電的質子和負電的電子組成，電子繞著質子轉：

而質子的磁力比電子的磁力要弱1000倍左右，因此原子核的磁力對原子整體的磁力幾乎沒有影響：

所以你會像既然很多（並不是全部）的電子都在移動，就像電線中的電流一樣，這些電子也會產生磁場。事實也如此，這些磁場稱為「軌道磁場」。

但是這些「磁場"通常對整個原子的磁場幾乎沒有太大影響，原因如下：

量子力學中對原子中的電子做出的精確而又複雜：

但簡單來說，電子以電子產層的形式集中在原子核的周圍

因為在完整的電子層中的電子朝著各個方向，所以它們產生的電流互相抵消，因此沒有產生任何的磁場。這些電子以兩個一對的形式存在，它們的微型磁鐵所指的方向正好相反，因此也相互抵消：

然而，在不完整的電子層中，所有的電子並不是以兩個一對的方式出現，

它們的微型磁鐵所指的方向相同，而且磁力會疊加起來，因此外層電子的微秒磁性為原子提供了大量的磁場：

周期表中那一大塊元素中比較靠邊上的原子都有完整的（或接近完整的）電子層，因此這些原子沒有太大的磁性。而靠中間的原子的外部電子層不完整，因此它們有磁場。這些原子包括：鎳、鈷、鐵、錳和鉻等等。

稍等片刻，但是鉻木有磁性啊！

額，僅僅因為原子帶磁場，並不代表由這些原子組成的材料也會帶磁場。

講到這，我們就得說說晶體了。

帶磁的原子合起來組成固體時，一般來說有兩種可能性。一種可能是所有原子的所有磁場都朝向一個方向，另一種可能是它們的磁場以一南一北的方式出現，因此它們的磁場相互抵消。而對於原子，哪種情況耗能少，它們就會以哪種形式出現：

所以鉻原子帶有很強的磁場，但是固體鉻卻沒有磁場。而且它們是已知的最不具鐵磁性的材料之一。

而鐵，從名字可以看出是具有鐵磁性的，這單不出所料。通俗點講，就是鐵帶有磁性。

但不總是這樣的。

關於磁性，最有要將的一個階段叫做磁疇。

本質上說，就算是帶有磁性的材料，哪怕原子的磁場都排成一列，也有可能出現以下情況：材料中的一塊區域的原子列成一對朝一個方向，而另一個區域的原子則朝另外的方向。

如果這些區域的大小相當的話，沒有一個區域有足夠的磁力迫使其它的區域的磁力和它朝同一個方向，因此，譬如一塊鐵塊就可能沒有任何磁力，因為其中的不同區域的磁場相互抵觸。

但是，你給祂施加一個外部磁場：

你就能使其中一個區域的磁力強到能促使旁邊區域的磁力朝同一個方向：

最終所有領域的磁場都會朝同一個方向。

現在你就可以用鐵拳掌控天下了······我是說用磁鐵。

一點都沒錯，奇妙之處就在於從本質上說磁性是量子屬性

被放大到日常物體的大小的結果。每塊永磁鐵都提醒著我們：宇宙是建立在量子力學的基礎上的。

要使任何物體帶磁，該物體的所有區域的磁場必須統一起來：

這就需要每塊區域中上千億的帶磁原子的磁場也統一起來：

而這些原子只有在一種情況下能帶磁：它們的外部電子層不能充滿，這樣它們固有的磁場才能統一併不相互抵消。

毫無疑問，這些要求非常難以滿足：

也是為什麼只有為數不多的材料適合做成磁鐵：

或者你也可以給任何導體通上電，使其產生磁場。

這裡，我希望吐槽的，就是那些，看過一點無機化學，就亂答的人。要是無機化學說順磁性就是能在磁性的作用下，讓某種金屬出現永久磁極的話，那麼分分鐘把無機化學埋掉好了。

我並不了解出現永久磁極的原因，畢竟這不是我的研究課題。但是，你們那些自命學過無機的人所言，和電子排布有關，電子在軌道中自旋平行是出現永久磁性的原因，那絕對是亂講。不要誤導題主，尤其是學藝不精者。

所謂的順磁性和反磁性，實際上是在外加磁場的狀態下質量的變化，不一定是金屬，這種性質，只要是存在成單的電子就好。但是，不能造成永久磁極的產生，你非得說能，那好，舉個最簡單的例子，氧氣分子是順磁性的，在磁場的作用下，能產生永久磁極嗎？去掉磁場，你讓他吸引個金屬試試？再狡辯的人......那我就不再說了。

P.S我實在是佩服某些人，不知道他所說的公式到底是個啥......

鐵磁學，三冊能幫你。

前邊有人，提到的固體是基礎，另外原子物理也是基礎。

業餘點理解是這樣的，電子自旋相當於一個小磁鐵。有的向上，有的向下，整體沒有凈剩，有的材料，外磁場一刺激自旋排隊站好而且不回去，結果剩磁比外加的還大。有的材料自旋不是很積極又容易回去，外磁場退了，剩磁也沒多少或啥也不剩。有的就要和你對著干。

嚴格的信息從鐵磁學可查，自行理解吧

要知道物質的抗磁性、順磁性和鐵磁性是怎麼產生的，我們首先得知道磁性是從何而來的。從麥克斯韋總結出來的電磁規律中可得知：不均勻變化的電場產生磁場，不均勻變化的磁場產生電場。微觀結構的原子中，含有質子、中子和電子（不繼續往更微觀層面深究），質子和電子分別帶正電荷和負電荷，兩種粒子若不是處在平衡態，即擁有加速度，那麼粒子運動產生的電場就會不均勻變化，導致磁場的產生。從這我們可以明白磁場的由來，而用於量度磁場（矢量）的大小和方向的則是磁矩。

原子的固有磁矩主要由電子軌道磁矩 $M_{l}$ ，電子自旋磁矩 $M_{s}$ 和核磁矩 $M_{n}$ 矢量疊加而成。其中重要並且難以理解的一點是電子自旋磁矩。電子的自旋磁矩是內稟的，也就是固定不變的，不因外界條件改變而產生變化。它不能按照經典的球體自轉來理解，因為那樣解釋會計算得到電子的自旋線速度大於光速，違背了相對論光速不變的基本假設。我還不懂如何正確並準確地給出電子自旋磁矩的解釋，想了解的請搜索電子相關的專業答案。

接下來，根據上述的三種磁矩，並通過半經典物理的推導所得到的公式（公式能解釋實驗結果，即與實際相符），可知磁矩的大小與粒子質量成反比。因為電子質量me與質子質量mp的比值
，所以 $M_{n}$ 比 $M_{l}$ 、 $M_{s}$ 小三個數量級， $M_{n}$ 可以忽略不計。由此我們可以知道，原子的固有磁矩主要是來自電子軌道磁矩Ml和電子自旋磁矩Ms的貢獻。

說到這裡，我們會很自然地想到，既然每個原子都有電子，而每個電子都會繞原子核運動（假設此運動是圓周運動），電子又都有內稟的自旋磁矩，那麼構成材料的原子的合磁矩就應該都不為零，即每個原子都應該具有磁矩並對物質的磁性做出貢獻。

以上推論的結果是合理的，但是有一點得注意，還是關於特殊的電子的自旋磁矩。按照核外電子排布，電子能量由低到高從1s軌道開始排布，依次到2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d……其中s軌道能容納2個電子，p能容納6個電子，d能容納10個電子，以此類推。而電子在各個軌道由下往上排時，要遵從泡利不相容原理和洪特定則，以2p軌道為例，排列如圖1 所示。當自旋向上的電子和自旋向下的電子同時存在時，由電子自旋所產生的自旋磁矩就會抵消，因為電子z軸方向上的磁矩大小為
，所以從（1）到（6），2p軌道上總的電子自旋磁矩依次為 $h/4Pi$
、 $h/2Pi$
、 $3h/4Pi$
、 $h/2Pi$
、 $h/4Pi$
、0。當電子自旋磁矩為0的時候，為固有磁矩做貢獻的只有電子軌道磁矩 $M_{l}$ 了。下面，從這個重要的發現中我們就可以解釋為什麼鐵有磁性而銅顯得沒有磁性，還有什麼是抗磁性、順磁性和鐵磁性。

我們會好奇，為什麼同為金屬的鐵和銅，鐵有磁性，銅就沒有磁性。其實，銅沒有磁性這一判斷是錯誤的，我們覺得它沒有磁性，只是因為它在磁場中的磁化現象太弱，以至於在一般大小的磁場中我們觀察不到，需要在很大的磁場才有肉眼可見的現象發生，而鐵在一般大小的磁場中就會有明顯的磁化效果。現在我們可以對鐵和銅的磁性進行判斷了：鐵有鐵磁性，在磁場中會有明顯的被磁化效果；而銅是順磁性的，它在磁場中誘導出來的磁化強度遠小於具有鐵磁性的鐵，現象微弱。

鐵的核外電子排布： $1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2}3p^{6}4s^{2}$

銅的核外電子排布： $1s^{2} 2s^{2} 2p^{6} 3s^{2}3p^{6}4s^{1}3d^{10}$

鐵的3d軌道可以裝10個電子，但是只裝了6個，其他軌道都填滿，有 $h/Pi$
大小的自旋磁矩，固有磁矩大；銅的4s軌道可以裝2個電子，但是只裝了1個，其他軌道都填滿，有 $h/4Pi$
大小的自旋磁矩，固有磁矩較小。

現在我們再來看，什麼時候一個原子是抗磁性的，什麼時候一個原子又是順磁性的，什麼時候一個原子是鐵磁性的。

首先擺出結論：（1）原子中電子自旋磁矩的矢量和為0，物質呈現抗磁性；（2）原子中電子自旋磁矩的矢量和為0，即對原子的固有磁矩做貢獻的既有電子軌道磁矩又有電子自旋磁矩，則i）若物質的原子間無交換相互作用，物質呈順磁性，ii）若物質的原子間有交換相互作用，物質呈現鐵磁性。

很明顯，當原子中電子自旋磁矩的矢量和為0時，電子軌道磁矩是固有磁矩的主要貢獻項。此時我們可以想像電子繞原子核外一固定軌道做簡單的勻速圓周運動，軌道中的電子運動形成電流，整條軌道相當於一條「閉合通電導線」。當有外磁場通過此「閉合通電導線」時，根據高中時所學的楞次定律判斷，將會產生與外磁場反向的感應磁場，即電子軌道磁矩，出現抵抗磁場增大的效應。由此種原子所組成的物質，原子的集合，它的磁性即為抗磁性。抗磁性物質的磁化率很小，磁化率 $chi sim 10^{-5}$
。

討論結論（2）。原子處在外磁場中，電子軌道磁矩仍然會阻礙外磁場的增大，但是物質為什麼不是呈現抗磁性而是順磁性或鐵磁性呢？因為除了電子的軌道磁矩，還有自旋磁矩，自旋磁矩是不會隨外磁場變化的，此時我們得把兩種磁矩作為一個整體，即固有磁矩。固有磁矩在外磁場存在時，為了使物質所含能量最小而趨於平衡態，磁矩的方向會盡量與外磁場方向平行。因為原子的固有磁矩方向一齊向外磁場方向靠攏，就會自然地產生我們想要的順磁性和鐵磁性。順磁性和鐵磁性的區別就在於原子間有沒有交換相互作用。

順磁性沒有交換相互作用，可以把順磁性物質想像成一罐子具有順磁性的理想氣體，組成物質的原子相當於氣體分子，分子之間互不干擾。整團氣體分子都在做無規則的熱運動，氣體分子的固有磁矩也上下左右亂七八糟地隨機分布著，即使有外磁場，氣體分子也身痒痒不肯乖乖地一直朝著一個方向，由此產生了順磁性，順磁性物質的磁化率也不大， $chi sim 10^{-5} - 10^{-2}$
。

而原子間有交換相互作用的鐵磁性物質，則可以把它們想像成一個訓練有素的軍隊，在外磁場的指揮下，整齊地朝同一方向進發，所以鐵磁性物質的磁化率很大， $chi gg 0$
。

其電子自旋排布出現落單，然後物質表現出來就是有磁性了哦

磁鐵之所以有磁性是因為它的內部結構比較特殊，其原子本身就具有磁矩，所以有磁性。

一般情況下，大多數礦物分子排列混亂，自然沒有那種特殊性，所以沒有磁性。

舉個栗子，銅是這樣，但是銅在通電時會有磁性.

原來化學人類還沒研究的特別本質，畢竟是自然學科。地球有磁場是因為金屬物質的周期流動，導致場（區域物理現象的保持）的出現，宏觀上磁場是這樣產生的，那麼微觀也是，物質內部某東西在規律運動，導致了磁場的出現。

這個規律希望能用數學函數表達，這樣就比較好的理解本質了

你可以去看看電磁場理論，不是別的金屬不能被磁化，只是磁化強度比較小，所以感受不到力的作用，但是用儀器可以檢測出來磁場的變化

所有物質都具有抗磁性，也就是抗拒具有磁性的性質，但是由於這些金屬內部電子的排布傾向於順磁性，是其順磁性遠大於抗磁性從而表現出磁性。