1.3　铁、钴、镍磁性之源

1.3.1　3d壳层的电子结构

——3d壳层电子有剩余自旋磁矩是铁磁性产生的必要条件

第四周期过渡元素包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn。它们核外电子排布有一定共性，内层电子排布均为1s22s22p63s23p6，闭壳层；外层电子排布随原子核电荷数增加而变化，表现在3d壳层上电子数依次增多。以Fe为例，其3d6轨道有6个电子占据，但3d6轨道有10个位置（轨道数5），因此为非闭壳层；4s2轨道2个电子满环，为闭壳层。

可见，Fe的3d轨道为非闭壳层，尚有4个空余位置。3d轨道上，最多可以容纳自旋磁矩方向向上的5个电子和向下的5个电子，但电子的排布要服从泡利不相容原理和洪特规则，即一个电子轨道上可以同时容纳一个自旋方向向上的电子和一个自旋方向向下的电子，但不可以同时容纳2个自旋方向相同的电子，见表1-4。

实际上，由于3d轨道和4s轨道的能量十分接近，8个电子有可能相互换位。人们发现，按统计分布，3d轨道上排布7.88个电子，4s轨道上排布0.12个。因此，在对原子磁矩有贡献的3d轨道上（4s轨道电子容易成为自由电子，而不受局域原子核的束缚），同方向自旋电子排布5个，异方向自旋电子排布2.88个。

但值得注意的是，这10种过渡元素中，铬（Cr）和铜（Cu）的3d壳层电子数分别为5、10，4s壳层电子排布为4s1，这是由于洪特规则的特例。