为什么铁原子有磁性，而碳原子就没有？

这个问题如果你懂得一些关于原子磁性的基本知识那便很容易理解了。先给出最重要的原因：原子的磁性中电子固有的磁性占主要作用。铁原子中的未配对电子对其磁性起主要作用。由于微观意义上，我们一般讨论磁矩的概念，因此先简单了解一下什么是磁矩。

什么是磁矩

要理解原子的磁性，你首先需要知道一个概念就是磁矩，你可以简单地把磁矩理解为是微观意义上的磁性。我们在电磁学中学过，载流线圈在均匀外磁场中不受力，但会受到一个力矩，这力矩总是试着使线圈的磁矩转到磁场B的方向。

一个载流线圈在一个均匀磁场中的磁矩公式是电流叉乘线圈的面积S。所以我们自然而言地可以想象到，电子在围绕原子核运动时也会产生一个磁矩，这个磁矩我们称之为轨道磁矩。

除了轨道磁矩之外，一个微观的原子系统的磁矩还有另一个贡献就是基本粒子的固有磁矩。比如电子的固有磁矩，原子核的固有磁矩等等。

氢原子的磁矩

我们先来看一个最简单的例子——氢原子。氢原子的磁矩由以下几部分组成：电子的固有磁矩，电子围绕质子做轨道运动产生的磁矩以及质子的固有磁矩。氢原子的总磁矩就是这三项的矢量和。

同样地，其它的原子我们也可以把其所有磁矩列出来，然后叠加得到净磁矩。

各类磁矩的对比

无论是电子的轨道磁矩还是电子以及原子核的固有磁矩，其都可以表示成为一个基本的磁矩单位乘上相应的一些量子数或者系数。这个磁矩单位对于电子来说叫做玻尔磁子，对于原子核来说叫做核的玻尔磁子，简称核磁子。磁矩单位和对应的粒子质量是成反比的，由于核的质量相当于电子质量的一千倍以上，所以原子核的单位磁矩比电子小了一千多倍。因此原子的磁性主要是由电子决定的。

电子固有磁矩的叠加

电子固有磁矩跟电子的自旋有关，因此也叫自旋磁矩。根据泡利不相容原理，同一个体系中的两个电子不能处于完全相同的量子态。当电子按照能量最低原理从最低能量往上排布时，自旋向上和自旋向下的电子配对排布。但排到外层时，有些原子中的电子不能够再自旋向上以及自旋向下配对排列，这样就有可能产生一个比较大的净磁矩。

铁原子和碳原子的情况

如果你看过了以上内容，便可以知道原子的磁性主要是由外层的一些电子决定的，内层电子的磁矩已经基本抵消。如果你没有仔细看，那你接受这个结论即可。所以我们想比较铁原子和碳原子的磁性，看看它们分别的外层电子排布就可以。铁原子是3d6 4s2， 碳原子是2s2 2p2。什么意思呢？就是铁的外层电子是3d轨道上有六个电子，4s轨道上有两个电子。碳原子的2s轨道上有两个电子，2p轨道上也有两个电子。对于铁原子，有4个d轨道上的电子没有形成配对，而对于碳原子2个p轨道上的电子没有形成配对。

所以铁原子的磁性我们便可以理解了，主要是其3d轨道上的未配对电子在起作用。而对于碳原子或者碳原子组成的材料，并没有展示出铁磁性，实际上，碳材料会有一定的抗磁性。这里面会涉及到一些轨道杂化的知识，在此就不再赘述了。