磁石为什么不会吸附铜、铝等金属？

千万不要小瞧这个问题，因为直到1928年才有了真正的解释，涉及到了一种纯粹的量子效应（交换作用），在宏观世界没有可以与之类比的现象。

当然，也有简单的回答：

铜、铝等金属不是铁磁体，所以不能被磁铁吸引。

至于什么是铁磁体？

这就要从抗磁性、顺磁性、铁磁性一步步了解，如果直接讲铁磁体，你很可能会觉得莫名其妙。

抗磁性

所有物体都有抗磁性，因为所有物体内部都有电子。

我们可以试想一下，一个电子任意朝一个方向运动。现在施加一个垂直于电子运动方向的磁场，电子会受到洛伦兹力，做圆周运动。

电子做圆周运动就相当于一个小磁铁，主要会产生与外部磁场方向相反的磁场，此时的电子就会被外部磁场排斥。

• 顺便提醒一句，非匀强磁场才能产生“同极相斥，异极相吸”的现象。匀强磁场是没法吸引小磁铁的，只会让小磁铁转个方向。
• 下面提到的磁场都是指非匀强磁场

不管物体的哪个方向面对磁场，内部的电子都一定会有垂直于磁场方向的速度分量，所以物体一定会有被磁场排斥的趋势，这就是抗磁性。

抗磁性通常都很弱，弱到我们平时根本察觉不到。

不过在外界磁场足够强的时候，抗磁性还是可以被察觉到的，比如“磁悬浮青蛙”：

另外，超导体的抗磁性非常强，超导磁悬浮就是利用了超导体的“完全抗磁性”。

顺磁性

有些物体除了抗磁性之外，还有顺磁性。

这和组成物体的原子的结构有关系，原子内部有电子、质子、中子。

电子、质子、中子都有自旋磁矩，不用管自旋磁矩到底是什么意思，我们只需要知道电子、质子、中子本身就相当于一个小磁铁。

原子中大部分电子、质子、中子的自旋磁矩都互相抵消了，抵消之后就不再相当于小磁铁了。

不过有些电子的自旋磁矩不会互相抵消，这就是“未配对”的电子，具体内容有些复杂，在这里就不提了。

感兴趣的读者可以了解一下“泡利原理”和“洪特规则”。

如果原子中有“未配对”的电子，那么原子本身就相当于一个小磁铁。

至于原子里面到底有没有“未配对”的电子，需要看原子的原子序数，这也有些复杂，就不提了。

感兴趣的读者可以了解一下“构造原理”。

铜原子没有“未配对”的电子，铝原子、铁原子有“未配对”的电子。

如果物体内部有“未配对”的电子，就相当于内部有大量的小磁铁，平时这些小磁铁无序排列，磁性互相抵消了，对外不显磁性。

一旦外部施加磁场，物体内部的小磁铁就会统一朝向一个方向，这就是磁化。

被磁化以后，物体就会被磁场吸引，这种性质就是顺磁性。

顺磁性通常会比抗磁性强，会掩盖抗磁性。

• 所以同时具有顺磁性和抗磁性的物体只会表现出顺磁性，被称为顺磁体
• 而具有抗磁性的物体只会表现出抗磁性，被称为抗磁体

顺磁性也很弱，弱到我们平时根本察觉不到。

不过顺磁性已经涉及到交换作用（一种纯粹的量子效应）了，降低温度，一些顺磁体就会表现出一种新的性质：铁磁性。

铁磁性

之所以说交换作用是一种纯粹的量子效应，是因为它与全同粒子不可分辨（仅存在于亚原子世界）有关。

微观世界的粒子基本上都是全同粒子，电子就是一种全同粒子，可以简单地把全同粒子理解成“完全一样的粒子”。

世上没有两片一模一样的雪花，但是有两个一模一样的电子，甚至于世上所有的电子都是一模一样的！

交换作用引出了“交换能积分常数”。

我们不需要知道这个常数到底是什么，我们只需要知道每一种物质都有自己的“交换能积分常数”，这个常数越大，“未配对”的电子就会排列得越整齐。

“未配对”的电子整齐排列，就相当于一种自发磁化，相当于小磁铁的原子就会整齐排列，形成局部的“大磁铁”，也就是磁畴。

通常磁畴会无序排列，磁性互相抵消，对外不显磁性。

物体内部一旦有自发形成磁畴，就会表现出铁磁性，在外部磁场中磁化，磁畴整齐排列，会产生巨大的磁场。

铁磁性产生的磁场是顺磁性产生的磁场的成千上万倍，可以产生直观的现象，比如磁石吸铁。

具有铁磁性的物体就是铁磁体，比如铁、钴、镍。

铁磁相变

一些读者可能会疑惑：

• 自发形成磁畴，和顺磁体在外部磁场中磁化，有什么本质区别吗？
• 为什么产生的磁场差距那么大？

磁畴和顺磁质磁化最大的区别就是：

磁畴中的小磁铁（原子）排列得非常整齐，而顺磁体磁化以后，小磁铁（原子）的方向只是稍微转动了一点点。

顺磁体内部的原子在磁场中不仅会有排列整齐的趋势，还会不断热运动，引起无序排列。

如果温度过高，交换作用就无法和热运动抗衡，磁畴内部的原子也会无序排列，磁畴也因此解体，铁磁体就会变成顺磁体，这就是铁磁相变。

相变很常见，固体、液体、气体的物态变换就是最常见的相变。相变有临界点，比如熔点、沸点。

铁磁相变的临界点就是居里温度，温度超过居里温度就是顺磁体，低于居里温度就是铁磁体。

对称性破缺

铁磁体还有更深层的奥秘，上面提到的交换作用仅仅只是海森堡在1928年的解释。

如今在量子力学的基础上已经发展出了凝聚态物理，铁磁体、铁电体、反铁磁体、反铁电体、超导体、超流体、……这些神奇的现象都被归纳为对称性破缺的产物。

对称性破缺形成了这个丰富多彩的世界。