由于磁懸浮，元素鉍可以在磁鐵之間“漂浮”。這種現象背后的科學原理是什么？
鉍（Bismuth）是一種不尋常的元素，我們在日常生活中很少遇到。但是這種美麗的、彩虹色的金屬，發現在元素周期表的底部，表現出一些非凡的性質。磁性懸浮 —— 鉍在兩塊磁鐵之間漂浮的能力 —— 可能是其中最有趣的一個。鉍和磁鐵之間的斥力非常強，它會使金屬懸浮起來。
但是，為什么鉍會被磁鐵強烈排斥呢？
麻省理工學院磁性材料化學家埃里克·里塞爾（Eric Riesel）認為，答案可以歸結為鉍所表現出的磁性類型。每種材料都有磁性，這是由元素電子的量子特性 —— 自旋決定的。但是，這種自旋只能指向兩個方向（向上或向下），并且材料中所有自旋的組合精確地定義了該元素將表現出的磁性類型。
“大多數人都熟悉鐵磁體（永久磁鐵），比如鐵，自旋都是彼此對齊的，但也有反鐵磁體，自旋指向相反的方向，”埃里克·里塞爾告訴我們。
然而，還有另外一對磁性類別：順磁性和抗磁性。在順磁體中，當你施加磁場時，材料中的自旋將與磁場成正比。抗磁體對磁場施加了相反方向的力，將其排斥。
鉍是抗磁性材料的一個例子，但這不是我們從元素的電子構型中所期望的行為。材料所表現出的磁性取決于電子的排列及其相應的自旋。電子在被稱為殼層的定義層中圍繞原子核旋轉，殼層又被進一步細分為s、d、p和f軌道。
典型地，抗磁性材料具有閉殼結構。這意味著一組特殊的軌道被完全填滿，電子被迫成對，一個指向上，另一個指向下 —— 本質上抵消了自旋。相反，順磁性材料通常有部分填滿的軌道，這意味著電子是不成對的，它們的自旋可以在同一方向上對齊。
鉍在元素周期表的第15族。s、d和f軌道都是滿的，但是p軌道包含了可能的6個電子中的3個。所以鉍有部分填滿的軌道，應該表現為順磁體。然而，它在元素周期表第六行的位置意味著，鉍還具有一些不尋常的重原子性質。
同樣是麻省理工學院磁性材料化學家的伊拉·馬丁尼亞克（Ira Martyniak）說：“在元素周期表中，在f塊之后發現的化學元素，它們最外層的電子繞原子核運行的速度是光速的很大一部分。直接相對論效應使6s和6p軌道收縮，并更靠近原子核，從而產生異常的物理和化學特征。”
這些相對論效應是鉍的許多驚人特性的原因，比如它的非常規超導性，它的極低熔點（520.7華氏度，或271.5攝氏度）和它的晶體不尋常的形狀。意想不到的抗磁性也不例外。
伊拉·馬丁尼亞克表示：“盡管鉍在其6p軌道上有未配對的電子，但由于6s和6p能級的相對論性收縮，6p電子產生的順磁性被抑制，鉍的行為在很大程度上受封閉殼層和大尺寸原子的支配，導致強烈的抗磁性。”
抗磁性材料有許多有價值的應用，包括電磁感應銅線圈（用于發電）和高速磁懸浮列車的鋁制軌道。鉍本身太重，不能作為一種實用的材料普遍使用，但其強大的抗磁性意味著，它現在是超導體和量子計算的常見組成部分。
