Kde se vzalo železo

Na počátku všeho byl jen vodík. Dejte vodíku dostatečně velké množství času a získáte všechno, co kolem sebe vidíte, včetně vás samotných. Věda nám dala poznání, které přesahuje rozměry lidské představivosti, a tak si pomáháme různými berličkami, abychom se aspoň trochu otřeli o to, jak je náš vesmír vlastně starý. My jako druh (Homo sapiens) existujeme zhruba 300 tisíc let. Jeden z našich předchůdců, Homo erectus, se po Zemi procházel přibližně o milion let dřív než my. Kolikrát bychom za celou délku existence vesmíru dokázali udělat takový evoluční skok? Zvládli bychom ho 13 800×, protože vesmír je starý přibližně 13,8 miliardy let. Graficky bychom si pak mohli stáří vesmíru znázornit takto:

My se nebudeme prodírat až ke vzniku moderního člověka, zatím si vystačíme s tím, kde se vzalo železo. Na počátku vesmíru byla jen žhavá polévka, plazmatický stav, ve kterém poletovala osamocená jádra vodíku, tedy protony. Vesmír po několika stovkách tisíc let schládl, přestal zářit a kolem protonů se navázaly elektrony, čímž vznikly kompletní atomy vodíku. Gravitace pak převzala hlavní slovo. Začala tahat tato atomy k sobě a tvořit supermasivní hvězdy. V jejich nitru se vodík začal slučovat do těžších prvků. A právě železo je tím nejtěžším prvkem, který dokážou  ty nejmohutnější hvězdy za svého života vytvořit.

Stavba železa

Železo má atomové číslo 26. Znamená to, že jeho jádro obsahuje 26 protonů, které pohromadě drží 28 neutronů. Elektrický náboj jádra k sobě přitáhne stejné množství elektronů, tedy také 26. Elektrony se pohybují v tzv. orbitalech, což jsou oblasti, kde se elektron s určitou pravděpodobností nachází. Současná fyzika si elektron nepředstavuje jako malou kuličku, která se spojitě pohybuje po jasné dráze. Ale pro naše potřeby si úplně vystačíme s jednoduchým modelem, který se podobá sluneční soustavě.

Spin

Abychom mohli začít skládat elektrony na orbitaly, musíme si nejdřív představit vlastnost jménem spin. Spin je kvantová vlastnost, kterou si pro naše základní úvahy můžeme představit jako schopnost částice tvořit magnetické pole. Všechny částice sice mají spin, ale magnetické pole elektronu hraje v tomhle ohledu prim, oproti němu je pole protonu nebo neutronu skoro zanedbatelné. Takže dál budeme počítat jen se spinem elektronu.

Skládání elektronů na orbitaly

Pro přehledné skládání elektronů na orbitaly slouží tabulka elektronové konfigurace. Orbitaly jsou v ní seřazeny podle toho, jakou energii elektrony na svých drahách mají, nejnižší energie je na orbitalu 1s, kam se vejdou jen dva elektrony. Šipky v tabulce znázorňují další pravidlo: na jednom orbitalu může být pouze pár elektronů s opačným spinem. Pokud je orbital plný, magnetické momenty jednotlivých elektronů se navzájem vyruší. 

Jenže magnetické pole spinu není jediný příspěvek do celkového magnetického momentu atomu železa. Protože magnetismus nevzniká jen tím, co elektron „má“, ale i tím, co „dělá“. Když se pohybuje kolem jádra, chová se jako drobný elektrický proud a každý proud, i ten atomární, vytváří své vlastní magnetické pole. To je druhý příspěvek do celkového pole atomu a říkáme mu orbitální magnetické pole. Ale i tady platí, že pokud je na orbitalu elektronový pár, můžeme si to představit tak, že elektrony krouží proti sobě a tím vyruší i jejich orbitální pole.

Aby měl atom magnetické pole musí být na orbitalu nepárový elektron. 20 elektronů se rozmístí mezi orbitaly 1s až 4s. Posledních šest elektronů přijde na orbital 3d. Protože se vždy obsadí jednotlivé orbitaly jedním směrem, tak v železo má hned čtyři nepárové elektrony, které dávají železu jeho silné magnetické vlastnosti.

Skládání atomů v doménách

Nyní máme atom železa, jehož pole je tvořeno spinovým a orbitálním polem čtyř nepárových elektronů. Jenže přesto že atomy některých materiálů mají magnetický moment, materiál jako celek se magneticky nechová. Například atom chromu má magnetický moment, ale v krystalu se jednotlivé momenty pravidelně střídají proti sobě, jsou seřazené do antiparalelních dvojic. Můžeme si to představit jako dvě střelky kompasu vedle sebe, pro střelky je stabilní když budou každá ukazovat opačným směrem. Výsledné magnetické pole se tím vynuluje, takže materiál jako celek žádný magnetismus neukazuje, i když jednotlivé atomy jsou „magnetické“. A ani když na chrom zatlačíte vnějším polem, moc se toho nezmění, jeho momenty se zarytě drží svého rozestavení.

U železa je tomu jinak, u něj jsou atomy kupodivu seřazeny stejným směrem. Proč? Tady si to dovolím  elegantně smést ze stolu frází: „pravidla kvantové mechaniky kážou, že tahle konfigurace je pro železo energeticky výhodnější.“ Sám si na lepší vysvětlení netroufnu… Těmto oblastem, ve kterých jsou miliardy až biliony atomů srovnané jako vojáci na nástupu, říkáme magnetické domény a mohou dosahovat velikosti zrnka písku.

Jenže ani obyčejný kus železa se sám od sebe nechová jako magnet. Magnetické domény jsou v něm totiž orientovány nahodile, každá ukazuje jinam, takže se jejich magnetické momenty ve výsledku vyruší. Když ale železo vystavíme vnějšímu magnetickému poli, domény se začnou srovnávat a ze železa se stává magnet. Jenže jakmile pole odstraníme, domény se zase většinou rozpadnou do náhodného chaosu. Materiál přestane být magnetický. Tohle chování je typické pro magneticky měkké materiály. Pokud však železu přimícháme to správné množství správných příměsí, začne se chovat jinak. Po odebrání vnějšího pole zůstávají domény orientované v jednom směru. Takový materiál se nazývá magneticky tvrdý a díky tomu se z něj stává trvalý magnet.