营养物质营养手册,钴元素

为什么自然界的铁，钴，镍三种元素具有磁性？

在所有的八十种金属元素中，有四种金属在室温下具有铁磁性（磁性），它们分别是铁、钴、镍、钆（gá）；此外，在超低温下，有五种金属是铁磁性的，它们分别是铽、镝、钬、铒和铥。因此，并不是只有铁钴镍三种元素具有磁性，那为什么我们都认为只有铁钴镍三种元素具有磁性呢？居里温度：掌控磁性材料磁性有无的临界温度居里温度（Curie temperature，Tc），又称磁性转变点，是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。

温度低于居里温度时，磁性材料有磁性，但一旦温度高于该物质的居里温度，该物质的磁性就会消失，成为顺磁性物质，不具有磁性。不同磁性材料的居里温度不同，如铁的居里温度为786℃、钴的居里温度为1070℃、镍的居里温度为376℃、钆的居里温度为20℃。由上可知：钆虽然也可以有磁性，但当温度高于20℃时，磁性就会消失。

在地球上，20℃是很常见的温度，甚至算是低温，因此要想保持钆的磁性需要对其严加看护，不然一不小心磁性就会消失，变成一块毫无吸引力的“废铜烂铁”。此外，作为一种稀土材料，钆在地壳中的含量仅为0.000636％，储量少、开采难度大，注定其难以为众人所知，因此钆很少被列为磁性物质。虽然在铁磁性材料中难以大放异彩，但在某些特殊领域，钆被寄于重任。

钆有最高的热中子俘获面，可用作核反应堆的控制棒和中子吸收棒。由于一种材料在受到磁场作用成为磁性组织时放热，磁性消失是又会吸热，利用这一性质，用钆盐经磁化制冷可获得接近绝对零度的超低温。世间金属八十种，为何偏偏只有铁钴镍钆之原子核外要有未成对的电子1907年，法国科学家外斯提出了铁磁性假说，较为系统地解释了铁磁现象出现的本质原因和规律，假说大致可分为两点：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域，这些自发磁化至饱和的小区域被称为磁畴，由于各个磁畴的磁场方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以物体对外不显磁性。

从微观上来讲磁性出现的原因就是：物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核中又有质子和中子。核外电子每时每刻都在自旋和“公转”，这两种旋转都会产生磁场，但由于公转产生的磁场紊乱无序，彼此相互抵消。因此铁磁性物质自发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电子自旋磁矩。由洪特规则和泡利不相容原理可知：电子总是尽可能以成对、自旋方向相反的方式排列并在核外运动。

自旋方向相反的两个电子产生的磁场可以相互抵消，因此要想产生电子自旋磁矩，在原子的最外层电子中就要有未成对的电子，并且未成对电子越多，电子自旋磁矩越大。例如：铁有四个未成对电子，钴有三个未成对电子，镍有两个未成对电子。理论上，铁的最大磁矩为4μB，钴的最大磁矩为3μB，镍的最大磁矩为2μB（未成对电子自旋方向相同时有理论最大磁矩）。

按照上述理论，有五个未成对电子的锰，理论最大磁矩为5μB，其磁性应该比铁钴镍的大，但实际上，锰并没有磁性。由此可见，原子外层有未成对电子并不能保证物质具有铁磁性。世间金属八十种，为何偏偏只有铁钴镍钆之相邻原子间距与未填满的内电子层的半径之比大于3大量的金属原子排列组合形成金属晶体，在形成晶体时，原子之间相互键合，形成不同类型的晶体，如面心立方、体心立方等。

根据键合理论可知，金属原子相互接近形成金属键时，电子云要相互重叠。对于过渡族金属，原子的3d态与4s态能量相差不大（实际上3d＞4s），它们的电子云的重叠，引起s、d状态电子的再分配。这种作用会释放能量——交换能Eex(与交换积分有关)，交换能可以使相邻原子内3d层未抵消的自旋磁矩同向排列起来，形成一个个磁畴。

量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分A为正时(A