Spørg Scientariet: Hvorfor er guld ikke magnetisk?

Asger B. Abrahamsen, ph.d., seniorforsker, Superleder- og magnetismegruppen, Afdelingen for materialeforskning, Risø DTU, svarer:

»Svaret skal findes i egenskaberne af de elektroner, som kan lede en elektrisk strøm i de to nævnte metaller. En elektron optræder i sig selv som en lille magnet (karakteriseret ved sit spin), men derudover kan dens bevægelse rundt om en atomkerne også skabe et magnetfelt.

Disse bevægelser foregår i skaller eller orbitaler, som kan rumme et vist antal elektroner afhængig af deres form. Strukturen af det periodiske system er faktisk givet af, hvordan man fylder orbitalerne med elektroner. Den simpleste s-orbital er kugleformet og kan rumme to elektroner med spin op og ned, svarende til grundstofferne H og He. Så fyldes den anden og mere energi­rige s-orbital svarende til Li og Be(2s), hvorefter de 8-tals-formede p-orbitaler fyldes med 6 elektroner, svarende til B, C, N, O, F og Ne(2p). Dette gentages for 3. hovedgruppe med Na og Mg (3s) og Al, Si, P, S, Cl og Ar (3p). I 4. hovedgruppe startes der igen med 4s- orbitalen (K og Ca), men derefter fyldes de mere komplicerede d-orbitaler med 10 elektroner for overgangsmetallerne Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu og Zn. I denne gruppe finder vi de tre ferromagnetiske elementer Fe, Co og Ni med henholdsvis 6,7 og 8 elektroner i 3d-orbitalerne.

Det bemærkelsesværdige ved de to sidste, Cu og Zn, er, at de begge har fyldt d-orbitalerne med 10 elektroner, fordi en elektron fra s-orbitalen flyttes til d-orbitalen: Ni = [Ar]4s23d8, Cu = [Ar]4s13d10 og Zn = [Ar]4s23d10. Dermed antydes en forklaring på spørgsmålet 'Hvorfor er kobber ikke magnetisk, når Fe, Co og Ni er?'. Det skyldes, at der bliver lige mange spin op- og ned-elektroner, når d-orbitalerne fyldes helt op. Tilsvarende gælder for guld med 5d-orbitalerne, som er helt fyldte. En mere korrekt beskrivelse er, at elektronerne bevæger sig rundt i metallet, og at energien af spin op og ned forskydes i forhold til hinanden pga. vekselvirkningen mellem elektronerne.«

>> Læs mere og stil dine egne spørgsmål på ing.dk/scientariet/sporg