铋是一种彩虹色金属，似乎可以漂浮在两个磁铁之间，这种现象被称为「磁悬浮」。 （图片来源：ProteanVisuals via Getty Images）
铋是一种不寻常的元素，我们在日常生活中很少遇到。 但是这种漂亮的彩虹色金属，在 元素周期表 的底部附近发现，表现出一些非凡的特性。 磁悬浮——铋似乎漂浮在两个磁铁之间的能力——可能是最有趣的之一。 铋和磁铁之间的排斥力非常强，导致金属悬浮。
但是为什么 铋 对磁铁的排斥如此强烈呢？
根据麻省理工学院的磁性材料化学家 埃里克·里塞尔（Eric Riesel ）的说法，答案归结为铋所表现出的磁性类型。 每种材料都具有磁性，由元素电子的量子特性决定，称为自旋。 但是，这种自旋只能指向两个方向——向上或向下——并且材料中所有自旋的组合准确地定义了元素将表现出的磁性类型。
「大多数人都熟悉像铁这样的铁磁体（永磁体），其中自旋都是相互对齐的，但也有反铁磁体，其中自旋指向彼此相反的方向，」Riesel告诉Live Science。
然而，还有另一对磁性类别：顺磁性和抗磁性。 「在顺磁体中，当你施加 磁场 时，该材料中的自旋将与其强度成正比地与磁场对齐，」他说。 「抗磁体向磁场施加与磁场相反的力，排斥磁场。」
铋是抗磁性材料的一个例子，但这不是我们从元素的电子构型中期望的行为。 材料表现出的磁性类型取决于电子的排列及其相应的自旋。 电子在称为壳层的特定层中围绕原子核，这些层进一步细分为称为 s、d、p 和 f 轨道的级别。
通常，抗磁性材料具有封闭的壳结构。 这意味着一组特定的轨道完全充满，电子被迫配对，一个指向上方，另一个指向下方——基本上抵消了自旋。 相反，顺磁性材料通常具有部分填充的轨道，这意味着电子是不成对的，并且可以将它们的自旋对齐在同一方向上。
铋属于元素周期表的第 15 族。 s、d 和 f 轨道都是满的，但 p 轨道包含可能的六个电子中的三个。 因此，铋具有部分填充的轨道，并且应该表现为顺磁体。 然而，它在元素周期表第六行的位置意味着铋也具有一些不寻常的重原子特性。
「在元素周期表中的f区之后发现的化学元素，其最外层的电子以光速的显着部分绕原子核运行，」麻省理工学院的磁性材料化学家 Ira Martyniak 说。 「直接相对论效应使6s和6p轨道收缩并驻留在更靠近原子核的地方，从而产生了异常的物理和化学特征。
这些相对论效应是铋的许多令人惊讶的特性的原因，例如其 非常规的超导性 ，极低的熔点（520.7华氏度或271.5摄氏度）以及晶体的不寻常形状。 出乎意料的抗磁性也不例外 .
「尽管铋在其6p轨道上有不成对的电子，但由于6s和6p能级的相对论收缩，来自6p电子的顺磁性被抑制，铋的行为主要由封闭的壳层和原子的大尺寸主导，导致强烈的抗磁性，」Martyniak告诉Live Science。
抗磁性材料具有许多有价值的应用，包括 铜线圈中的电磁感应 （用于发电）和 高速磁悬浮列车的铝轨道 。 铋本身太重，不能成为一般用途的实用材料，但其强大的抗磁性意味着它现在是 超导体 和 量子计算 中的常见成分 .
