血液裡有鐵，為什麼不會被磁鐵吸住？
― 鐵原子被一個個關起來，血液反而會把磁鐵輕輕推開
「血是紅色的，因為裡面有鐵。」這是真的。但如果因此認為「那麼夠強的磁鐵就能把血吸過來」，那就是誤會了。鐵會被磁鐵吸住，並不是「鐵」這種元素本身的性質，而是原子緊密排列、方向一致的「排列方式」所造成的性質。
被紙割到手指，冒出了一小滴血珠。血的味道，好像有點鐵味。
對了，學校教過「血液裡有鐵」。那麼拿冰箱上的強力磁鐵靠近，血珠會被吸過去而移動嗎？
實際試了，什麼事也沒發生。如果全身都流著鐵，那進入醫院的大型磁鐵儀器時，血液不會被拉扯嗎？
不會被吸住，只有兩個原因
鐵釘裡的鐵，原子彼此緊緊相貼，讓小小磁鐵的方向全部一致。血液裡的鐵，則是一個個被關在大型蛋白質中。牠們沒辦法和同伴手牽手，所以無法讓方向一致。
水具有把磁鐵極輕微推開的性質。血液裡的鐵被磁鐵吸引的那一點點力量，敵不過這股推力。整體來說，血液是稍微想躲開磁鐵的那一邊。
這兩點都要先拋開「鐵一定會被磁鐵吸住」的成見，才看得清楚。我們依序來看。
鐵會被磁鐵吸住，是因為原子組成了「隊伍」
每一個原子，有時都是肉眼看不見的小磁鐵。鐵原子也是如此。不過單一原子的磁鐵非常弱，方向也很容易亂掉。
在鐵釘或鐵板裡，鐵原子毫無縫隙地排列。相鄰的原子之間，會互相施加讓方向一致的強大作用力。因此會形成由數兆個原子朝同一方向排好的「區塊」。磁鐵靠近時，這些區塊會一起轉向。所以鐵釘會被強力吸住。
血液裡的鐵，存在於一種叫血紅素的大型蛋白質中。每個血紅素只有 4 個鐵原子，而且這 4 個彼此相隔很遠。它們無法和隔壁的鐵讓方向一致，所以組不成「隊伍」。請比較圖 1 的左邊和右邊。
成年人體內的鐵，全部加起來據說約有 3 到 4 公克。其中大約三分之二在血液的血紅素裡。以量來說，大概只有一根小鐵釘的分量。即使是這麼少的鐵，只要凝固成釘子的形狀，就能被磁鐵吸住。關鍵的差別在於：它溶在體內 5 公升的血液中，被拆成一個個原子。
水會把磁鐵輕輕推開
另一個原因，是血液大部分是水。水不只是不會被磁鐵吸住，把強力磁鐵靠近時，它還會被極輕微地推開。這不只是水，而是大多數物質共有的性質。原因是原子中的電子，會朝著抵抗磁力的方向改變運動。
那麼，血液裡的鐵完全不會被吸引嗎？其實，放掉氧氣之後的血紅素（靜脈血中較多）會被磁鐵稍微吸引。抓著氧氣的時候，則不會被吸引。即便如此，水的推力還是大得多。所以不論動脈血還是靜脈血，整體上都是稍微想躲開磁鐵的那一邊。
到底有多微弱，請在圖 2 上動手確認。拉動滑桿改變磁鐵的強度，就能比較 1 公升血液所受的「重量」，和磁鐵「推開的力」有多大。
即使是冰箱用的那種強力磁鐵，推力也只有血液重量的約 1%。指尖的血珠動也不動，就是這個緣故。要讓血液浮起來，需要強約 90 倍的磁鐵裝置。確實有人用這種裝置，讓含水很多的活青蛙飄在半空中（水會排斥磁鐵是真的嗎？）。
帶著氧氣的血液，和放掉氧氣的血液，對磁鐵的反應有些微不同。最早測量這件事的，是化學家萊納斯·鮑林等人，時間是 1936 年。大約 50 年後，日本的小川誠二等人注意到這個差別。他們證明了，用 MRI（醫院裡的大型磁鐵儀器），可以拍出大腦哪個部位正在用氧氣。如今，這已成為研究「大腦哪裡在運作」的標準方法。
MRI 的強力磁鐵不會拉扯體內的血液。危險的是口袋裡的鑰匙或髮夾這類，原子緊密排列的鐵製小東西。它們可能會猛然飛向儀器。檢查前會被要求取下金屬物品，就是這個緣故。
總結
血液裡確實有鐵。但那些鐵是一個個分開，被關在血紅素裡。原子無法手牽手讓方向一致，所以不會像鐵釘那樣被磁鐵吸住。再加上血液大部分是水，而水會把磁鐵輕輕推開。因此整體來說，血液是稍微想躲開磁鐵的那一邊。
決定會不會被磁鐵吸住的，
不是有沒有鐵，而是鐵怎麼排列。
想多了解水被磁鐵推開的故事，也請讀讀水會排斥磁鐵是真的嗎？。至於磁鐵裡的原子方向是如何一致的，把磁鐵切成兩半，會得到只有 N 極的磁鐵嗎？有更詳細的介紹。
- 在吸管的兩端各插一顆葡萄，把正中間用線吊起來，或放在倒扣杯子的杯底上，讓它保持水平平衡。
- 在沒有風的地方，等到葡萄完全靜止。
- 把強力釹磁鐵輕輕靠近其中一顆葡萄，但不要碰到。葡萄會慢慢地像要躲開磁鐵一樣轉動起來。
葡萄的內容幾乎都是水，所以和血液一樣，會把磁鐵輕輕推開。動作非常緩慢，請耐心觀察。釹磁鐵的吸力強到會夾傷手指，請不要讓兩顆互相靠近。也請收在小朋友拿不到的地方，避免誤吞。
想知道更多 ― 名詞・算式・與課本的連結明確標示從國中理化到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「物理」「化學」「生物」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（電磁學、凝態物理學、生物物理化學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教、現在研究者正在探討的話題
國中名詞：這個現象有名字
- 鐵磁性：像鐵、鎳、鈷這些金屬，原子的小磁鐵與相鄰者方向一致，會被磁鐵強力吸引的性質。
- 順磁性：每個原子本身是小磁鐵，但因為沒有能讓方向一致的同伴，只會被磁鐵極輕微地吸引的性質。放掉氧氣的血紅素（去氧血紅素）就屬於這一類。
- 抗磁性：被磁鐵極輕微推開的性質。水、葡萄、人體的大部分都屬於這一類。
- 血紅素：存在於紅血球中、負責運送氧氣的蛋白質。1 個血紅素有 4 個鐵原子，這些鐵會抓住氧氣。
國中高中用算式確認：磁鐵用多大的力推開血液？
首先，估算 1 公升血液裡有多少鐵。接著，把強力磁鐵推開血液的力，和血液的重量做比較。
| 用符號寫 | f ＝ ( |χ| ÷ μ0 ) × B × ( dB/dz ) 、 浮起的條件是 f ＝ ρ × g |
| 用文字寫 | 每單位體積的推力 ＝ 磁化率的大小 ÷ 真空磁導率 × 磁場強度 × 磁場梯度。當它達到「密度 × 重力加速度」（每單位體積的重量）時，就會浮起 |
| 這個式子從哪來 | 磁鐵附近的物體，往磁場較強處（抗磁性則是往較弱處）移動時，能量會下降。把這個能量對位置微分，就得到力。磁場均勻時梯度為 0，所以不論多強，都不會有力作用 |
| 符號的意義與單位 | χ：磁化率（無單位）、μ0：真空磁導率（特斯拉×公尺÷安培）、B：磁場強度（特斯拉）、dB/dz：磁場梯度（特斯拉／公尺）、ρ：密度（公斤／立方公尺）、g：重力加速度（公尺／秒²） |
| 血液磁化率的大小（據說與水幾乎相同） | 0.000009 |
| 真空磁導率 | 0.00000126 |
| 強力釹磁鐵表面附近的磁場（大致數值） | 0.4 特斯拉 |
| 同處的磁場梯度（假設每 1 公分下降 0.4 特斯拉的大致數值） | 40 特斯拉／公尺 |
| 血液的密度 | 1060 公斤／立方公尺 |
| 1 個血紅素的重量（每 1 莫耳） | 約 64500 公克 |
| 1 莫耳鐵的重量 | 55.8 公克 |
| 1 公升血液中的血紅素（大致數值） | 150 公克 |
| 1 莫耳血紅素中的鐵 | 4 × 55.8 ＝ 223.2 公克 |
| 鐵占血紅素重量的比例 | 223.2 ÷ 64500 ≒ 0.00346 |
| 1 公升血液中的鐵 | 150 × 0.00346 ≒ 0.52 公克 |
| 全身血液（5 公升）中的鐵 | 0.52 × 5 ＝ 2.6 公克 |
| 磁場 × 磁場梯度 | 0.4 × 40 ＝ 16 |
| 乘上磁化率的大小 | 16 × 0.000009 ＝ 0.000144 |
| 除以真空磁導率（推力，牛頓／立方公尺） | 0.000144 ÷ 0.00000126 ≒ 114 |
| 1 立方公尺血液的重量（牛頓） | 1060 × 9.8 ＝ 10388 |
| 推力 ÷ 重量 | 114 ÷ 10388 ≒ 0.011 |
| 要浮起所需的「磁場×梯度」（之一） | 10388 × 0.00000126 ≒ 0.01309 |
| 要浮起所需的「磁場×梯度」（之二） | 0.01309 ÷ 0.000009 ≒ 1454 |
| 是冰箱磁鐵的幾倍 | 1454 ÷ 16 ≒ 91 |
1 公升血液中的鐵約 0.5 公克，全身加起來也只有一根小鐵釘的分量。即使是強力釹磁鐵，推力也只有血液重量的約 1.1%。要讓血液浮起來，需要約 90 倍的「磁場×梯度」。這要靠研究所的特殊電磁鐵才勉強達得到。
高中高中＋電子的「自旋」，以及是否成對
高中原子小磁鐵的來源是電子。每個電子都有小磁鐵的性質。通常電子會以方向相反的 2 個組成一對，讓磁鐵的性質互相抵消。如果有沒能成對而剩下的電子，這個原子就會變成小磁鐵。
高中＋血紅素的鐵是二價鐵離子。在放掉氧氣的狀態下，它有 4 個未成對的電子，因此呈現順磁性。一旦抓住氧氣，電子的配置會改變，剩下電子的磁性就從外面看不到了。鮑林與柯里爾（Coryell）在 1936 年，用磁性測量證明了這個差別。
大學交換作用與磁化率
鐵磁性之所以產生，是因為相鄰原子的電子之間有交換作用，方向一致時能量比較低。結果會形成方向一致的區塊，稱為磁區。血紅素的鐵彼此離得太遠，交換作用幾乎不起作用。因此它們成為一堆各自獨立的磁鐵，呈現遵守居禮定律的順磁性。就體積磁化率來看，靜脈血只比動脈血的抗磁性稍微弱一點。這個差別出現在 MRI 訊號中的現象稱為 BOLD 效應（依賴血氧濃度的訊號），是功能性 MRI 的基礎。
📖 算式的推導與更進階的內容：順磁性（維基百科，日文） ／ 鐵磁性（維基百科，日文）
研究還不太清楚的事
- 大腦訊號與神經活動的連結。 功能性 MRI 拍到的是血液中氧氣的變化。它與神經活動究竟能多精確地對應，至今仍在研究。
- 生物的「磁感應器」。 候鳥等動物感應地球磁場的機制，有人認為是眼睛裡分子的反應，也有人認為是體內的磁性顆粒，尚無定論。
- 強磁場中的血液流動。 已知在非常強的磁場中，流動的血液會產生電，使流動方式略有改變。在更強的 MRI 儀器下，對人體的影響會到什麼程度，目前仍在研究。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前所知範圍內的說明」。不過「血液不會被磁鐵吸住」這個結論本身，已經過數十年的測量確認。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「磁場」「血液的功用」 | 會被磁鐵吸住與不會被吸住的東西、紅血球運送氧氣 |
| 高中 | 物理「磁場」、化學「電子組態」、生物「氧氣的運送」 | 電子成對與磁性、血紅素的鐵 |
| 高中＋ | 化學進階「錯合物」 | 鐵的電子組態會因有無氧氣而改變 |
| 大學 | 電磁學・凝態物理學・生物物理化學 | 交換作用、磁區、居禮定律、BOLD 效應 |
| 研究 | 腦科學・生物的磁感應 | 功能性 MRI 的解讀、候鳥的磁感應器 |
| ― | 與生活的連結 | 做 MRI 檢查前要取下金屬的原因、檢查大腦運作的檢查 |
- Pauling, L. & Coryell, C. D. (1936) The Magnetic Properties and Structure of Hemoglobin, Oxyhemoglobin and Carbonmonoxyhemoglobin. PNAS 22, 210–216.
- Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R. & Tank, D. W. (1990) Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. PNAS 87, 9868–9872.
- Berry, M. V. & Geim, A. K. (1997) Of flying frogs and levitrons. European Journal of Physics 18, 307–313.
- 近角聰信（Chikazumi Soshin）《強磁性体の物理（上）》（鐵磁體物理（上）），裳華房（Shokabo）
- 常磁性 - ウィキペディア（順磁性－維基百科日文版）
※本文是寫給一般大眾的科學解說。文中的數值是為了理解原理而給的大致估算。體內的鐵量與血液成分有個體差異。接受 MRI 檢查時，請遵照醫療機構的指示。