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營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)手冊(cè),鈷元素

云知道

為什么自然界的鐵，鈷，鎳三種元素具有磁性？

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)手冊(cè),鈷元素


在所有的八十種金屬元素中，有四種金屬在室溫下具有鐵磁性（磁性），它們分別是鐵、鈷、鎳、釓（gá）；此外，在超低溫下，有五種金屬是鐵磁性的，它們分別是鋱、鏑、鈥、鉺和銩 。因此，并不是只有鐵鈷鎳三種元素具有磁性，那為什么我們都認(rèn)為只有鐵鈷鎳三種元素具有磁性呢？居里溫度：掌控磁性材料磁性有無(wú)的臨界溫度居里溫度（Curie temperature，Tc），又稱磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度，是鐵磁性或亞鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)的臨界點(diǎn) 。
溫度低于居里溫度時(shí)，磁性材料有磁性，但一旦溫度高于該物質(zhì)的居里溫度，該物質(zhì)的磁性就會(huì)消失，成為順磁性物質(zhì)，不具有磁性 。不同磁性材料的居里溫度不同，如鐵的居里溫度為786℃、鈷的居里溫度為1070℃、鎳的居里溫度為376℃、釓的居里溫度為20℃ 。由上可知：釓雖然也可以有磁性，但當(dāng)溫度高于20℃時(shí)，磁性就會(huì)消失 。
在地球上，20℃是很常見(jiàn)的溫度，甚至算是低溫，因此要想保持釓的磁性需要對(duì)其嚴(yán)加看護(hù)，不然一不小心磁性就會(huì)消失，變成一塊毫無(wú)吸引力的“廢銅爛鐵” 。此外，作為一種稀土材料，釓在地殼中的含量?jī)H為0.000636％，儲(chǔ)量少、開(kāi)采難度大，注定其難以為眾人所知，因此釓很少被列為磁性物質(zhì) 。雖然在鐵磁性材料中難以大放異彩，但在某些特殊領(lǐng)域，釓被寄于重任 。
【營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)手冊(cè),鈷元素】釓有最高的熱中子俘獲面，可用作核反應(yīng)堆的控制棒和中子吸收棒 。由于一種材料在受到磁場(chǎng)作用成為磁性組織時(shí)放熱，磁性消失是又會(huì)吸熱，利用這一性質(zhì)，用釓鹽經(jīng)磁化制冷可獲得接近絕對(duì)零度的超低溫 。世間金屬八十種，為何偏偏只有鐵鈷鎳釓之原子核外要有未成對(duì)的電子1907年，法國(guó)科學(xué)家外斯提出了鐵磁性假說(shuō)，較為系統(tǒng)地解釋了鐵磁現(xiàn)象出現(xiàn)的本質(zhì)原因和規(guī)律，假說(shuō)大致可分為兩點(diǎn)：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場(chǎng)”，在“分子場(chǎng)”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個(gè)小區(qū)域，這些自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域被稱為磁疇，由于各個(gè)磁疇的磁場(chǎng)方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以物體對(duì)外不顯磁性 。
從微觀上來(lái)講磁性出現(xiàn)的原因就是：物質(zhì)由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，原子核中又有質(zhì)子和中子 。核外電子每時(shí)每刻都在自旋和“公轉(zhuǎn)”，這兩種旋轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，但由于公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)紊亂無(wú)序，彼此相互抵消 。因此鐵磁性物質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子磁矩，而在原子磁矩中起主要作用的又是電子自旋磁矩 。由洪特規(guī)則和泡利不相容原理可知：電子總是盡可能以成對(duì)、自旋方向相反的方式排列并在核外運(yùn)動(dòng) 。
自旋方向相反的兩個(gè)電子產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以相互抵消，因此要想產(chǎn)生電子自旋磁矩，在原子的最外層電子中就要有未成對(duì)的電子，并且未成對(duì)電子越多，電子自旋磁矩越大 。例如：鐵有四個(gè)未成對(duì)電子，鈷有三個(gè)未成對(duì)電子，鎳有兩個(gè)未成對(duì)電子 。理論上，鐵的最大磁矩為4μB，鈷的最大磁矩為3μB，鎳的最大磁矩為2μB（未成對(duì)電子自旋方向相同時(shí)有理論最大磁矩） 。
按照上述理論，有五個(gè)未成對(duì)電子的錳，理論最大磁矩為5μB，其磁性應(yīng)該比鐵鈷鎳的大，但實(shí)際上，錳并沒(méi)有磁性 。由此可見(jiàn)，原子外層有未成對(duì)電子并不能保證物質(zhì)具有鐵磁性 。世間金屬八十種，為何偏偏只有鐵鈷鎳釓之相鄰原子間距與未填滿的內(nèi)電子層的半徑之比大于3大量的金屬原子排列組合形成金屬晶體，在形成晶體時(shí)，原子之間相互鍵合，形成不同類型的晶體，如面心立方、體心立方等 。

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