Почему висмут может левитировать?

Висмут - необычный элемент, с которым мы нечасто сталкиваемся в повседневной жизни. Но этот красивый, переливающийся металл, находящийся в самом низу периодической таблицы Менделеева, обладает некоторыми необычными свойствами. Магнитная левитация - способность висмута, казалось бы, парить между двумя магнитами - пожалуй, одна из самых интересных. Отталкивание между висмутом и магнитами настолько сильное, что заставляет металл левитировать.

Но почему висмут так сильно отталкивается от магнитов?

По словам Эрика Ризеля, специалиста по химии магнитных материалов из Массачусетского технологического института, ответ сводится к типу магнетизма, проявляемого висмутом. Каждый материал обладает магнитными свойствами, определяемыми квантовым свойством электронов элемента, известным как спин. Но это вращение может указывать только два направления — верх или низ — и комбинация всех спинов в материале точно определяет, какой тип магнетизма будет проявлять элемент.

"Большинство людей знакомы с ферромагнетиками (постоянными магнитами), такими как железо, у которых все вращения выровнены друг с другом, но есть также антиферромагнетики, у которых спины направлены в противоположные стороны друг к другу", - поясняет Ризель.

Однако существует и другая пара магнитных категорий: парамагнетизм и диамагнетизм. "В парамагнетиках, когда вы прикладываете магнитное поле, вращения в этом материале будут согласовываться с полем пропорционально его силе, - говорит он. - Диамагнетики прикладывают силу в направлении, противоположном полю, отталкивая его".

Висмут является примером диамагнитного материала. Тип магнетизма, проявляемого материалом, зависит от расположения электронов и их соответствующих спинов. Электроны вращаются вокруг ядра в определенных слоях, называемых оболочками, которые далее подразделяются на уровни, называемые s, d, p и f орбиталями.

Как правило, диамагнитные материалы имеют структуру замкнутой оболочки. Это означает, что определенная группа орбиталей полностью заполнена, и электроны вынуждены объединяться в пары, при этом один направлен вверх, а другой вниз, что, по сути, сводит на нет вращения.

И наоборот, парамагнитные материалы обычно имеют частично заполненные орбитали, что означает, что электроны непарные и могут выравнивать свои спины в одном направлении.

Висмут находится в 15-й группе периодической системы Менделеева. Все s, d и f-орбитали заполнены, но p-орбитали содержат три из возможных шести электронов. Итак, висмут частично заполнил орбитали и должен вести себя как парамагнетик. Однако его положение в шестой строке периодической таблицы означает, что висмут также обладает некоторыми необычными свойствами тяжелых атомов.

"У химических элементов, обнаруженных после f-блока в периодической таблице, самые удаленные электроны вращаются вокруг ядра со скоростями, составляющими значительную долю скорости света, - сказала Айра Мартыняк, также специалист по химии магнитных материалов в Массачусетском технологическом институте. - Прямой релятивистский эффект заставляет орбитали 6s и 6p 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 нетрадиционная сверхпроводимость, очень низкая температура плавления (271,5 градуса Цельсия) 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 в поведении висмута в значительной степени доминируют закрытые оболочки и большой размер атома, что приводит к сильному диамагнетизму", - говорит Мартыняк.

Диамагнитные материалы имеют множество ценных применений, включая электромагнитную индукцию в медных катушках (используется для выработки электроэнергии) и алюминиевые рельсы высокоскоростных поездов на магнитной подвеске. Сам по себе висмут слишком тяжел, чтобы быть практичным материалом для общего использования, но его мощный диамагнетизм делает его важным компонентом в сверхпроводниках и при квантовых вычислениях.