30 为什么吸铁石只吸铁？

为什么磁铁只吸铁，而对金、银、铜、铝似乎都没有什么反应呢？

当然，严格来说，磁铁不光吸铁，还吸钴和镍。吸铁石之所以只吸引这几种金属，是因为只有这些金属原子内部的电子结构，可以让磁场对它们有肉眼可见的作用。

我们知道，原子的结构是带负电的电子围绕带正电的原子核运动，电子数等于原子核带正电的数量，所以原子整体是呈中性不带电的。但是那么多个电子围绕原子核是怎么运动的呢？量子力学告诉我们，电子在原子核外围的运动是分层的。每层当中可以安放的电子数量是不同的，譬如根据量子力学的计算，原子核外第一层，也是电子层的最内层，可以放两个电子，第二层可以放8个电子，第三层可以放18个电子，等等。

这里我们必须引用前面提到过的能量最低原理，一个原子的稳定态，一定对应它能量最低的状态，所有电子其实都倾向于待在内层，因为内层的能量低，所以更稳定。那为什么不是所有电子都在最内层，而是会出现最内层只能有两个电子，外层却拥有更多电子的情况呢？这里还要介绍另外一个物理学知识，叫泡利不相容原理。这个原理是奥地利物理学家泡利发现的，泡利也因为这个成果，在爱因斯坦的推荐下，获得了1945年的诺贝尔物理学奖。

泡利不相容原理说的是，在一个物理系统中，不能有两个费米子处在同一状态，至于什么是费米子，我们之后再讨论，这里你只需要知道电子是一种费米子。有了这个原理之后，我们就能解释为什么原子的内层只能放两个电子了。原子的内层只有一个电子轨道，电子只要在这个轨道里，它的能量和其他状态都被唯一确定了。那么根据泡利的不相容原理，这个轨道里只能存在一个电子，为什么还能放第二个电子进来呢？因为自旋，电子是有磁性的，你可以把它当成一个小磁针，磁针有南北极，一个电子轨道之所以可以放两个电子，就是因为一个电子进来以后，它可以是北极朝上或者南极朝上，第二个电子进来的话，只要磁极的指向跟第一个电子相反就可以了，只要这两个电子的磁极指向相反，它们的状态就不完全相同，就不违背泡利不相容原理。内层轨道可以放两个电子，但是第三个电子就放不进来了，因为第三个电子的磁极指向不是南极向上就是北极向上，另外两个电子中必然有一个与它相同，根据泡利不相容原理，第三个电子进不来。

第三个电子如果进不来的话怎么办？它能去哪里呢？它只能去能量更高的第二层。第二层有4个分轨道，每个轨道都可以放两个电子，这样第二层一共可以放8个电子。电子再多的话就只能去第三层了，第三层有9个分轨道，所以第三层最多可以放18个电子，以此类推。铁是第26号元素，铁原子里有26个电子。这样的话，第一层可以放2个，第二层可以放8个，第三层可以放16个，你发现16个电子没有办法把第三层填满。这样的话，其实对最外层电子来说，它们有好几个轨道可以选择。它们可以两两配对地去占据轨道，也可以选择一个电子占一个轨道，具体应该选择哪一种排布方式呢？答案依然是能量最低原理：怎么排布能量低就怎么来。结果是每个电子占据一个分轨道的排布方式能量更低，所以铁原子里的外层电子是倾向于每个电子分别占据一个轨道的。这里面的物理规律叫洪特规则，是一个叫洪特的德国物理学家发现的。

这就能解释为什么吸铁石只吸铁、钴、镍了。我们把电子当成小磁铁，如果是两个小磁铁以南北极相反的方式并在一起，它的南北极磁性其实抵消了，对外它们是中性的。但是如果一个电子占据一个轨道，就好比一个个分散的小磁铁，它们的磁场并没有两两抵消。所以你用吸铁石建立一个磁场，它们就能够与这个磁场有相互作用。铁、钴、镍的最外层电子就满足洪特规则说的这种排布方式，铁、钴、镍的最外层电子并没有选择两两一组抵消磁性的形态去排列，总体上它体现出能够被磁场吸引的特性。

为什么磁铁只吸铁、钴、镍？其实磁铁吸的其实永远是磁铁，只不过在这三种金属中，它们的电子排布方式让它们可以在磁场的作用下，成为小磁铁而已。