Висмут – необычный элемент, с которым мы не часто встречаемся в повседневной жизни. Но этот красивый переливающийся металл, найденный в самом низу таблицы Менделеева, демонстрирует некоторые необычные свойства. И магнитная левитация — способность висмута плавать между двумя магнитами — пожалуй, одна из самых интересных. При этом отталкивание между висмутом и магнитами настолько сильное, что заставляет металл буквально левитировать.
Но почему висмут так сильно отталкивается от магнитов?
По мнению Эрика Риселя (Eric Riesel), химика по магнитным материалам в Массачусетском технологическом институте, ответ заключается в типе магнетизма, проявляемом висмутом. У каждого материала есть магнитные свойства, определяемые квантовым свойством электронов элемента, известным как спин. Однако этот спин может указывать только в двух направлениях — вверх или вниз — и комбинация всех спинов в материале определяет, какой именно тип магнетизма будет проявлять элемент.
«Большинство людей знакомы с ферромагнетиками (постоянными магнитами), такими как железо, у которых все спины выровнены друг с другом, но существуют также антиферромагнетики, у которых спины направлены в противоположные друг другу направления», — рассказал Ризель Live Science.
Однако имеется ещё одна пара магнитных категорий: парамагнетики и диамагнетики.
«В парамагнетиках, когда вы прикладываете магнитное поле, спины этого материала выравниваются с полем пропорционально его силе, — сказал он. — Диамагнетики же прикладывают силу в направлении, противоположном полю, отталкивая его.»
Висмут является примером диамагнитного материала, однако это не то поведение, которого мы могли бы ожидать от электронной конфигурации элемента. Тип магнетизма, проявляемого материалом, зависит от расположения электронов и их соответствующих спинов. Электроны вращаются вокруг ядра в определённых слоях, называемых оболочками, которые далее подразделяются на уровни, называемые s-, d-, p- и f-орбиталями.
Обычно диамагнитные материалы имеют замкнутую оболочечную структуру. Это означает, что определённая группа орбиталей полностью заполнена, и электроны были вынуждены спариться, причём один направлен вверх, а другой вниз, что по сути уравновешивает спины. И наоборот, парамагнетики обычно имеют частично заполненные орбитали, что означает, что электроны не спарены и могут выравнивать свои спины в одном направлении.
Висмут находится в 15 группе периодической таблицы. Все s-, d- и f-орбитали у него заполнены, но p-орбитали содержат три из шести возможных электронов. Таким образом, висмут имеет частично заполненные орбитали и должен вести себя как парамагнетик. Однако его положение в шестой строке периодической таблицы означает, что висмут также ещё обладает некоторыми необычными свойствами тяжёлых атомов.
«Химические элементы, обнаруженные после f-блока в таблице Менделеева, имеют самые удалённые электроны, вращающиеся вокруг ядра со скоростью, которая составляет значительную часть скорости света, — сказала Айра Мартыняк (Ira Martyniak), также специалист по химии магнитных материалов в Массачусетском технологическом институте. — Прямой релятивистский эффект заставляет 6s- и 6p-орбитали сжиматься и располагаться ближе к ядру, что приводит к аномальным физическим и химическим характеристикам.»
Эти релятивистские эффекты ответственны за многие удивительные свойства висмута, такие как его необычная сверхпроводимость, очень низкая температура плавления (520,7 градусов по Фаренгейту или 271,5 градусов по Цельсию) и необычная форма его кристаллов. Неожиданный диамагнетизм не является исключением.
«Несмотря на то, что висмут имеет неспаренные электроны на своей 6p-орбитали, из-за релятивистского сжатия уровней 6s и 6p парамагнетизм, возникающий из-за 6p-электронов, подавляется, и поведение висмута в значительной степени определяется закрытыми оболочками и большим размером атома, что приводит к сильному диамагнетизму», — сказала Мартыняк.
Диамагнитные материалы имеют множество ценных применений, включая электромагнитную индукцию в медных катушках (используемых для выработки электроэнергии) и алюминиевых путях высокоскоростных поездов на магнитной подвеске. Сам по себе висмут слишком тяжёл, чтобы быть практическим материалом для общего использования, но его мощный диамагнетизм означает, что теперь он является распространённым компонентом в сверхпроводниках и квантовых вычислениях.
