Question

 2002年伊始第一臺磁冰箱問世。磁冰箱的概念形成于6年前，美國、中國、西班牙、荷蘭和加拿大都進行了研究，最低制冷溫度已達-140℃，能量利用率已比傳統冰箱高1/3。1997年，美國Ames實驗室設計出磁冰箱原型，其制冷裝置可簡單地用圖表示：

一轉輪滿載順磁性物質，高速旋轉，其一側有一強大磁場，順磁性物質轉入磁場為狀態A，轉出磁場為狀態B，即：

“ ↑ ”表示未成對電子
Ames實驗室的磁制冷物質最早為某金屬M，后改為其合金，以M₅（Si_xGe_1-x）₄為通式， 最近又研究出了以MA₂為通式的合金，A為鋁、鈷或鎳。根據原子結構理論，最優選的M應為元素周期表中第幾號元素？為什么？（可不寫出該元素的中文名稱和元素符號）

Answer 1

M為第64號元素（Gd），因其基態電子組態為4f⁷5d¹6s²，未成對電子最多。
【試題分析】
由題意知，M元素原子核外未成對電子數越多，則越符合做磁冰箱材料的條件。在較常見的元素中，同學們最容易想到的元素是Cr、Mo，因為它們的特征電子構型分別是3d⁵4s¹與4d⁵5s¹，未成對電子數是6。但題中又指出“可不寫出該元素的中文名稱和元素符號”，其實是暗示M是一種不熟悉的元素，要使未成對電子數超過6，對于訓練有素的參賽同學來說，可以馬上斷定這種不熟悉的元素應是鑭系或錒系元素，也即從4f、5f亞層的半充滿狀態切入，按照構造原理，應有基態電子組態為［Xe］4f⁷5d²¹6s²、［Rn］5f⁷6d¹7s²，即未成對電子數為8的元素。但［Rn］5f⁷6d¹7s²為放射性元素，作為磁冰箱的材料不妥當，故M應為第64號元素（Gd）。