由于磁悬浮，元素铋可以在磁铁之间“漂浮”。这种现象背后的科学原理是什么？

铋（Bismuth）是一种不寻常的元素，我们在日常生活中很少遇到。但是这种美丽的、彩虹色的金属，发现在元素周期表的底部，表现出一些非凡的性质。磁性悬浮 —— 铋在两块磁铁之间漂浮的能力 —— 可能是其中最有趣的一个。铋和磁铁之间的斥力非常强，它会使金属悬浮起来。

但是，为什么铋会被磁铁强烈排斥呢？

麻省理工学院磁性材料化学家埃里克·里塞尔（Eric Riesel）认为，答案可以归结为铋所表现出的磁性类型。每种材料都有磁性，这是由元素电子的量子特性 —— 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精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（永久磁铁），比如铁，自旋都是彼此对齐的，但也有反铁磁体，自旋指向相反的方向，”埃里克·里塞尔告诉我们。

然而，还有另外一对磁性类别：顺磁性和抗磁性。在顺磁体中，当你施加磁场时，材料中的自旋将与磁场成正比。抗磁体对磁场施加了相反方向的力，将其排斥。

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所期望的行为。材料所表现出的磁性取决于电子的排列及其相应的自旋。电子在被称为壳层的定义层中围绕原子核旋转，壳层又被进一步细分为s、d、p和f轨道。

典型地，抗磁性材料具有闭壳结构。这意味着一组特殊的轨道被完全填满，电子被迫成对，一个指向上，另一个指向下 —— 本质上抵消了自旋。相反，顺磁性材料通常有部分填满的轨道，这意味着电子是不成对的，它们的自旋可以在同一方向上对齐。

铋在元素周期表的第15族。s、d和f轨道都是满的，但是p轨道包含了可能的6个电子中的3个。所以铋有部分填满的轨道，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性质。

同样是麻省理工学院磁性材料化学家的伊拉·马丁尼亚克（Ira Martyniak）说：“在元素周期表中，在f块之后发现的化学元素，它们最外层的电子绕原子核运行的速度是光速的很大一部分。直接相对论效应使6s和6p轨道收缩，并更靠近原子核，从而产生异常的物理和化学特征。”

这些相对论效应是铋的许多惊人特性的原因，比如它的非常规超导性，它的极低熔点（520.7华氏度，或271.5摄氏度）和它的晶体不寻常的形状。意想不到的抗磁性也不例外。

伊拉·马丁尼亚克表示：“尽管铋在其6p轨道上有未配对的电子，但由于6s和6p能级的相对论性收缩，6p电子产生的顺磁性被抑制，铋的行为在很大程度上受封闭壳层和大尺寸原子的支配，导致强烈的抗磁性。”

抗磁性材料有许多有价值的应用，包括电磁感应铜线圈（用于发电）和高速磁悬浮列车的铝制轨道。铋本身太重，不能作为一种实用的材料普遍使用，但其强大的抗磁性意味着，它现在是超导体和量子计算的常见组成部分。

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