铋对磁铁的排斥力很强，因此它会悬浮起来。如何？

由于磁悬浮，铋元素可以“漂浮”在磁铁之间。这种现象背后的科学原理是什么？

铋是一种不寻常的元素，我们在日常生活中很少遇到。但这种美丽的虹彩金属发现于元素周期表的底部附近，表现出一些非凡的特性。磁悬浮——铋看似漂浮在两个磁铁之间的能力——也许是最有趣的之一。铋和磁铁之间的排斥力非常强，导致金属悬浮。

但为什么铋对磁铁的排斥力如此之大呢？

麻省理工学院磁性材料化学家埃里克·里塞尔 (Eric Riesel) 表示，答案取决于铋所表现出的磁性类型。每种材料都具有磁性，这是由元素电子的量子特性（称为自旋）决定的。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该元素将表现出的磁性类型。

“大多数人都熟悉铁磁体（永磁体），比如铁，它们的自旋都彼此对齐，但也有反铁磁体，它们的自旋方向彼此相反，”里塞尔告诉《生活科学》。

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磁场的强度成比例地对齐，”他说。 “抗磁体向磁场施加相反方向的力，将其排斥。”

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铋是抗磁性材料的一个例子，但这并不是我们所期望的元素电子配置的行为。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。电子在称为壳的限定层中围绕原子核旋转，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满了，电子被迫配对，一个朝上，另一个朝下——本质上抵消了自旋。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排列在同一方向。

铋属于元素周期表第 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还具有一些不寻常的重原子特性。

“元素周期表中 f 区之后发现的化学元素的最外层电子以光速的很大一部分的速度绕原子核运行，”Ira Martyniak 说，他也是一位磁性材料化学家。麻省理工学院。 “直接相对论效应使 6s 和 6p 轨道收缩并靠近原子核，从而产生异常的物理和化学特性。”

这些相对论效应导致了铋的许多令人惊讶的特性，例如其非传统的超导性、极低的熔点（520.7 华氏度，或 271.5 摄氏度）以及其晶体的不寻常形状。 意想不到的抗磁性也不例外。

“尽管铋的 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，源自 6p 电子的顺磁性被抑制，铋的行为在很大程度上由封闭的壳层和大尺寸的原子，导致强烈的抗磁性，”马丁尼亚克告诉《生活科学》。

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。铋本身太重，无法成为通用的实用材料，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。