Bismutul este un element neobișnuit cu care nu prea întâlnim în viața de zi cu zi. Dar acest metal drăguț, irizat, găsit lângă partea de jos a tabelul periodic, prezintă câteva proprietăți extraordinare. Levitația magnetică – capacitatea bismutului de a pluti aparent între doi magneți – este poate una dintre cele mai interesante. Repulsia dintre bismut și magneți este atât de puternică, încât face ca metalul să leviteze.
Dar de ce este bismut atât de puternic respins de magneți?
Conform Eric Riesel, un chimist al materialelor magnetice la MIT, răspunsul se reduce la tipul de magnetism prezentat de bismut. Fiecare material are proprietăți magnetice, determinate de o proprietate cuantică a electronilor elementului cunoscută sub numele de spin. Dar, această rotație poate indica doar în două direcții – în sus sau în jos – și combinația tuturor rotațiilor dintr-un material definește exact ce tip de magnetism va prezenta elementul.
„Cei mai mulți oameni sunt familiarizați cu feromagneții (magneți permanenți) precum fierul, în care învârtirile sunt toate aliniate între ele, dar există și anti-feromagneți în care rotațiile sunt îndreptate în direcții opuse unul față de celălalt”, a spus Riesel pentru Live Science.
Cu toate acestea, există și o altă pereche de categorii magnetice: paramagnetism și diamagnetism. „În paramagneți, când aplici un camp magneticînvârtirile din acel material se vor alinia cu câmpul proporțional cu puterea acestuia”, a spus el. “Diamagneții aplică o forță în direcția opusă câmpului, respingându-l.”
Legate de: Este posibil să ajungem la zero absolut?
Bismutul este un exemplu de material diamagnetic, dar acesta nu este comportamentul la care ne-am aștepta de la configurația electronică a elementului. Tipul de magnetism manifestat de un material depinde de aranjarea electronilor și de spinurile lor corespunzătoare. Electronii înconjoară nucleul în straturi definite numite învelișuri, care sunt subdivizate în continuare în niveluri numite orbitali s, d, p și f.
De obicei, materialele diamagnetice au o structură de înveliș închisă. Aceasta înseamnă că un anumit grup de orbitali este complet plin și electronii au fost forțați să se împerecheze, unul îndreptat în sus și celălalt în jos – în esență anulând spin-urile. În schimb, materialele paramagnetice au de obicei orbiti parțial umpluți, ceea ce înseamnă că electronii sunt nepereche și își pot alinia spinurile în aceeași direcție.
Bismutul este în grupa 15 a tabelului periodic. Orbitii s, d și f sunt toți plini, dar orbitalii p conțin trei din șase electroni posibili. Deci bismutul are orbitali parțial umpluți și ar trebui să se comporte ca un paramagnet. Cu toate acestea, poziția sa în rândul șase al tabelului periodic înseamnă că bismutul posedă și unele proprietăți neobișnuite de atomi grei.
„Elementele chimice găsite după blocul f din tabelul periodic au electronii cei mai exteriori care orbitează în jurul nucleului la viteze care sunt fracțiuni semnificative din viteza luminii”, a spus. Ira Martyniak, de asemenea, un chimist de materiale magnetice la MIT. „Efectul relativist direct face ca orbitalii 6s și 6p să se contracte și să se apropie de nucleu, ceea ce dă naștere la caracteristici fizice și chimice anormale”.
Aceste efecte relativiste sunt responsabile pentru multe dintre proprietățile surprinzătoare ale bismutului, cum ar fi acesta supraconductivitate neconvenționalăpunctul său de topire foarte scăzut (520,7 grade Fahrenheit, sau 271,5 grade Celsius) și forma neobișnuită a cristalelor sale. Diamagnetismul neașteptat nu face excepție.
„Chiar dacă bismutul are electronii nepereche în orbital său 6p, din cauza contracției relativiste a nivelurilor 6s și 6p, paramagnetismul care decurge din electronii 6p este suprimat, iar comportamentul bismutului este dominat în mare măsură de învelișurile închise și de dimensiunile mari ale atom, ceea ce duce la un diamagnetism puternic”, a spus Martyniak pentru Live Science.
Materialele diamagnetice au o mulțime de aplicații valoroase, inclusiv inducție electromagnetică în bobine de cupru (folosit pentru a genera energie electrică) și șinele de aluminiu ale trenurilor maglev de mare viteză. Bismutul în sine este prea greu pentru a fi un material practic pentru uz general, dar diamagnetismul său puternic înseamnă că este acum o componentă comună în supraconductori și calculul cuantic.