你小時候玩磁鐵，肯定試過：鐵釘、回形針、剪刀都能吸起來，但銅幣、鋁箔紙碰都不碰一下。

更奇怪的是，地球上居然真的存在“吸鐵石”這種天然礦物，卻從來沒聽說過“吸銅石”或“吸鋁石”。難道鐵有什么特別之處？

為什么鐵能被“吸”？

磁性，歸根結(jié)底是電子搞出來的。

原子中的電子不僅帶電，還會“自旋”——可以簡單理解為它們在原子內(nèi)部“繞著自己轉(zhuǎn)圈圈”。每個自旋都會產(chǎn)生一個微小的磁場。于是，當(dāng)無數(shù)電子的自旋方向不再互相抵消，而是朝著統(tǒng)一方向排列時，整個物質(zhì)就會表現(xiàn)出磁性。

但問題在于，大多數(shù)元素的電子排布都很“規(guī)矩”——喜歡成對出現(xiàn)，一個自旋向上，一個自旋向下，磁場剛好互相抵消。例如銅（Cu，原子序數(shù)29）和鋁（Al，原子序數(shù)13），它們的外層電子幾乎都處于配對狀態(tài)，自旋抵消得干干凈凈，磁性自然也就無從產(chǎn)生。

而鐵（Fe，原子序數(shù)26）就不一樣了。它的3d軌道中有多個未配對電子，也就是說，這些電子自旋的磁性沒有被“中和”，保留了下來。更重要的是，鐵原子之間會出現(xiàn)一種特別的“協(xié)同效應(yīng)”：當(dāng)大量鐵原子聚集在一起時，它們的未配對電子會自發(fā)朝同一方向排列，形成一個個“磁疇”。

你可以把磁疇想象成無數(shù)個微型磁鐵——當(dāng)這些磁疇的方向一致時，整塊鐵就會展現(xiàn)出強烈的磁性。這就是天然“吸鐵石”（也叫磁鐵礦 Fe?O?）為何能自己帶磁的根本原因。

相比之下，銅和鋁壓根沒有這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢——它們不僅缺少未配對電子，也無法構(gòu)建磁疇。說白了，它們連“組團搞磁場”的基礎(chǔ)都不具備。

銅和鋁真的“完全不磁”么？

很多人以為銅和鋁不被磁鐵吸，就是“完全沒有磁性”。其實這是一種誤解。它們不是“沒有磁性”，而是“不主動顯磁性”。

嚴格來說，磁性分三大類：

鐵磁性：像鐵、鈷、鎳這種，可以被磁鐵強烈吸引，甚至自己能當(dāng)磁鐵；

順磁性：像鋁、鉑，能被磁場輕微吸引，但一撤磁場就啥也不是；

抗磁性：像銅、金、石墨，甚至水，遇到磁場會輕微排斥它。

銅就是一個典型的抗磁性元素。它在強磁場中會輕微排斥磁力線，但這個排斥力太小了，小到你連天平都量不出來。2007年，美國加州大學(xué)的實驗團隊用超導(dǎo)磁體對銅塊做精密測量，發(fā)現(xiàn)其磁化率只有 -9.6 × 10??（單位：cm3/mol），幾乎可以忽略不計。而鐵的磁化率是它的10萬倍以上。

鋁稍微強一點，是順磁性。但也弱得可憐，磁化率只有 +2.2 × 10??。不僅遠遠弱于鐵，就連大多數(shù)不銹鋼都比它強。

所以，你看不到“吸銅石”，不是因為銅太稀有，而是因為它連磁場都不達標(biāo)。

為什么地球上會自然長出“吸鐵石”？

要知道，鐵是地球含量最高的金屬之一，地殼中含量約為5.6%，僅次于氧、硅和鋁。而銅和鋁雖然也不少，但銅的含量只有0.0068%，比鐵低了近千倍。鋁元素雖然多，占比約8.1%，但它幾乎只以氧化鋁（Al?O?）的形式存在，不具備形成磁性礦物的結(jié)構(gòu)條件。

另外，鐵有個非常特殊的礦物形態(tài)叫磁鐵礦（Fe?O?），它的晶體結(jié)構(gòu)允許大量磁疇以統(tǒng)一方向排列，表現(xiàn)出穩(wěn)定的天然磁性。

地球上最早的磁鐵礦形成于前寒武紀(jì)，也就是25億年前，來自富含鐵的海底火山噴發(fā)沉積。大量磁鐵礦集中分布在南非、澳大利亞、巴西、瑞典等地，是現(xiàn)代工業(yè)磁鐵的重要來源。

而銅和鋁的天然礦物，比如輝銅礦（Cu?S）、鋁土礦（Al(OH)?），壓根沒有磁疇結(jié)構(gòu)，也不具備鐵那種“自發(fā)對齊”的能力。你就算把它扔進液氮里冷凍到-196℃，也別指望它突然變磁鐵。

這就是為什么，鐵不僅“能被吸”，而且“能自己當(dāng)磁鐵”；銅和鋁連這個門都進不去。

那人造磁鐵為什么不只有鐵？釹鐵硼又是怎么回事？

你可能會問，那既然只有鐵有磁性，為什么工業(yè)磁鐵還要加釹、硼之類的稀土？這就牽涉到人類對磁性的“工程級調(diào)控”。

純鐵雖然磁性強，但矯頑力低，也就是說，它容易被磁化，也容易失磁，磁性不穩(wěn)定。所以工業(yè)上最強的磁鐵，其實并不是純鐵，而是“釹鐵硼”合金（Nd?Fe??B），它的磁能積（即單位體積內(nèi)儲存磁場的能力）可以達到480 kJ/m3，是普通鐵磁體的10倍以上。

釹（Nd）是一種稀土元素，具有非常強的自旋軌道耦合效應(yīng)，可以大幅增強晶體磁異性。簡單來說，就是讓磁性“定得更牢”。而硼的加入則改善了晶體結(jié)構(gòu)，讓磁疇更容易對齊。

但無論怎么改，核心還是鐵。銅和鋁在這個體系里從頭到尾都插不上手，因為它們連“磁性基礎(chǔ)”都不具備。

所以，下次有人跟你推薦吸銅石啥的，千萬不要被“騙”了！