1.3　鐵、鈷、鎳磁性之源

1.3.1　3d殼層的電子結構

——3d殼層電子有剩余自旋磁矩是鐵磁性產生的必要條件

第四周期過渡元素包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn。它們核外電子排布有一定共性，內層電子排布均為1s22s22p63s23p6，閉殼層；外層電子排布隨原子核電荷數增加而變化，表現在3d殼層上電子數依次增多。以Fe為例，其3d6軌道有6個電子占據，但3d6軌道有10個位置（軌道數5），因此為非閉殼層；4s2軌道2個電子滿環，為閉殼層。

可見，Fe的3d軌道為非閉殼層，尚有4個空余位置。3d軌道上，最多可以容納自旋磁矩方向向上的5個電子和向下的5個電子，但電子的排布要服從泡利不相容原理和洪特規則，即一個電子軌道上可以同時容納一個自旋方向向上的電子和一個自旋方向向下的電子，但不可以同時容納2個自旋方向相同的電子，見表1-4。

實際上，由于3d軌道和4s軌道的能量十分接近，8個電子有可能相互換位。人們發現，按統計分布，3d軌道上排布7.88個電子，4s軌道上排布0.12個。因此，在對原子磁矩有貢獻的3d軌道上（4s軌道電子容易成為自由電子，而不受局域原子核的束縛），同方向自旋電子排布5個，異方向自旋電子排布2.88個。

但值得注意的是，這10種過渡元素中，鉻（Cr）和銅（Cu）的3d殼層電子數分別為5、10，4s殼層電子排布為4s1，這是由于洪特規則的特例。