鉍是一種彩虹色金屬，似乎可以漂浮在兩個磁鐵之間，這種現象被稱為「磁懸浮」。 （圖片來源：ProteanVisuals via Getty Images）
鉍是一種不尋常的元素，我們在日常生活中很少遇到。 但是這種漂亮的彩虹色金屬，在 元素周期表 的底部附近發現，表現出一些非凡的特性。 磁懸浮——鉍似乎漂浮在兩個磁鐵之間的能力——可能是最有趣的之一。 鉍和磁鐵之間的排斥力非常強，導致金屬懸浮。
但是為什麽 鉍 對磁鐵的排斥如此強烈呢？
根據麻省理工學院的磁性材料化學家 艾歷·裏塞爾（Eric Riesel ）的說法，答案歸結為鉍所表現出的磁性類別。 每種材料都具有磁性，由元素電子的量子特性決定，稱為自旋。 但是，這種自旋只能指向兩個方向——向上或向下——並且材料中所有自旋的組合準確地定義了元素將表現出的磁性類別。
「大多數人都熟悉像鐵這樣的鐵磁體（永磁體），其中自旋都是相互對齊的，但也有反鐵磁體，其中自旋指向彼此相反的方向，」Riesel告訴Live Science。
然而，還有另一對磁性類別：順磁性和抗磁性。 「在順磁體中，當你施加 磁場 時，該材料中的自旋將與其強度成正比地與磁場對齊，」他說。 「抗磁體向磁場施加與磁場相反的力，排斥磁場。」
鉍是抗磁性材料的一個例子，但這不是我們從元素的電子構型中期望的行為。 材料表現出的磁性類別取決於電子的排列及其相應的自旋。 電子在稱為殼層的特定層中圍繞原子核，這些層進一步細分為稱為 s、d、p 和 f 軌域的級別。
通常，抗磁性材料具有封閉的殼結構。 這意味著一組特定的軌域完全充滿，電子被迫配對，一個指向上方，另一個指向下方——基本上抵消了自旋。 相反，順磁性材料通常具有部份填充的軌域，這意味著電子是不成對的，並且可以將它們的自旋對齊在同一方向上。
鉍屬於元素周期表的第 15 族。 s、d 和 f 軌域都是滿的，但 p 軌域包含可能的六個電子中的三個。 因此，鉍具有部份填充的軌域，並且應該表現為順磁體。 然而，它在元素周期表第六行的位置意味著鉍也具有一些不尋常的重原子特性。
「在元素周期表中的f區之後發現的化學元素，其最外層的電子以光速的顯著部份繞原子核執行，」麻省理工學院的磁性材料化學家 Ira Martyniak 說。 「直接相對論效應使6s和6p軌域收縮並駐留在更靠近原子核的地方，從而產生了異常的物理和化學特征。
這些相對論效應是鉍的許多令人驚訝的特性的原因，例如其 非常規的超導性 ，極低的熔點（520.7華氏度或271.5攝氏度）以及晶體的不尋常形狀。 出乎意料的抗磁性也不例外 .
「盡管鉍在其6p軌域上有不成對的電子，但由於6s和6p能階的相對論收縮，來自6p電子的順磁性被抑制，鉍的行為主要由封閉的殼層和原子的大尺寸主導，導致強烈的抗磁性，」Martyniak告訴Live Science。
抗磁性材料具有許多有價值的套用，包括 銅線圈中的電磁感應 （用於發電）和 高速磁懸浮列車的鋁軌域 。 鉍本身太重，不能成為一般用途的實用材料，但其強大的抗磁性意味著它現在是 超導體 和 量子計算 中的常見成分 .
