鉄・磁性について

質問

磁石にくっつく金属は、鉄・ニッケル・マンガン（不確かな記憶です）だけなことをずっと不思議に思ってました。
最近、それらの最も外側を回っている電子のスピンが同じ方向のため、磁性が発生することをしりました。
でも、何故それらの金属だけの電子スピンが同じ方向なのか、わかりまん。
調和のためには、逆スピンが適しているし？（←素人の表現なので適切ではないかもしれませんが）
また、電子のスピンの方向は、どのような方法で分かるのですか？
誰か教えてください。

回答No.5

hagiwara_m · ベストアンサー

補足いたします。

> 周りの電子の特殊な条件で、内殻の電子スピンの向きがそろう特殊な金属
> が鉄などであると理解してよいのですか？

原子にスピンが残ること自体はそれほど特殊でありません。原子中の電子にエネルギー順位があることはご存知と思います。このエネルギー順位が、内側の軌道から外側の軌道に向かって順に高くなるなら簡単なのですが、ある段階で、最外殻よりも内殻のエネルギー順位が低くなる状態が現われてきます。そのため、原子番号で区分したときのあるグループの原子は、原子核の正電荷を中和させるための電子の個数の調整が、内殻の方で起こることになります。このときは、スピンの半端が、結合にあずかる外殻電子とは別の所に生じるため、結合によってもスピンの半端が解消されず、原子固有のスピンが残る可能性が出てくるのです。こういうタイプの元素を遷移元素(金属)といいます。（金属にはそれ以外に、ナトリウムなどの典型金属もあります）

ただ、ある大きさの原子固有のスピンが本当に現われ、さらに、これが磁石に引かれるほど強い磁性を引き起こすためには、まだまだ、何段階もの条件をクリヤーする必要があります。例えば、スピンの向きを揃える原因は交換相互作用と呼ばれる量子力学的効果ですが、これ一つにしても、物質の構造によって、同じ向きに揃える効果にも、反対向きにひっくり返す効果にも、容易に変わります。構成元素と、その結合機構と、物質の結晶構造、この全てがある非常にうまい条件を満たしたときだけ、強磁性体と呼ばれる磁石に引かれる強い磁性をもつ物質が実現するのです。（－としか私には言えません－）

量子力学から出発して物質の磁性にまで行き着くのは長大な道のりです。原子構造の入門的教科書、物理化学の本、磁性物理のテキスト、磁気工学の本等を併用して読まれるのがいいのではないでしょうか。

お礼

ミクロなお部屋
http://www.gavo.t.u-tokyo.ac.jp/~hosoyama/chemical/index.html
にて量子化学をあつかっていましたので、そちらで勉強し直すことにいたしました。
ご指導ありがとうございました。
また、何か解らない事があったときご回答お願いいたします。

回答No.4

hagiwara_m

私の元々の専門は磁性ですが、このご質問が非常に根本的なものだけに、お答えは非常に難しいです。補足コメントだけでお許し下さい。

常温・常圧で、磁石に引かれる力を体感できる単体物質は、鉄、ニッケル、コバルト、そして(温度条件がぎりぎりですが)ガドリニウムです。

これらの元素で、電子のスピンが逆向きペアによって打消されずに残っているのは、最外殻ではなく、十分内殻にあるものです。最外殻の電子は、普通は物質中でとなりの原子と結合するときに逆向きペアをつくってしまいます。

打消されずに残った各原子のスピンの方向が、さらに、物質全体に渡って揃ったときに、はじめて磁石にくっつくような強い磁性を示します。この物質全体に渡ってスピンが揃う原因が、motsuanさんらがおっしゃる原子スピン間の交換相互作用、およびその協力現象として起こる相転移です。

ただ、これらの金属物質では、内殻電子といえども、ある一つの原子核の近くに捕らえられているとは限りません。結晶中を動く粒子として(量子力学的に)扱わねばならない側面があります。

何故限られた４元素だけが常温で永久磁石になるのか、のお答えにはなっていませんね。磁性の基礎には、まだ分かっていないところがある、、ということで、今回はお許し下さい。(^_^;

お礼

ご返事ありがとうございます。

（電子のスピンが逆向きペアによって打消されずに残っているのは、最外殻ではなく、十分内殻にあるものです。最外殻の電子は、普通は物質中でとなりの原子と結合するときに逆向きペアをつくってしまいます。）

周りの電子の特殊な条件で、内殻の電子スピンの向きがそろう特殊な金属が鉄などであると理解してよいのですか？
量子力学を、勉強すればよいのですか？
よろしければ教えてください。
磁性の専門家の先生に教えをいただいて、大変うれしいです。

回答No.3

motsuan

原子内において磁化が発生する原因は
原子内での電子間の電磁気力とパウリの排他原理により発生する交換相互作用が主な原因です。
パウリの排他原理によりスピンが異なると同じ軌道を回って電子間のクーロン斥力が大きくなるため、スピンの向きを揃える方向にしようとする力が交換相互作用です。原子によって違うのは、ｓやｐ軌道の場合には軌道角運動量が小さく（同じエネルギーでも原子核のまわりをゆっくり回って運動エネルギー小、原子核からのポテンシャルエネルギー大＝原子核から遠くにある）原子核から離れて電子同士があまり近づきません。一方、ｄ軌道やｆ軌道の場合は角運動量が大きく原子核の周りを速くくるくる回って、その分位置エネルギーの低い原子核に近い位置にいるために電子間の距離が近づいて、電子間のクーロン斥力が大きくなり、交換相互作用が大きくなります。したがって、遷移金属やランタノイドでは磁性がよく見られます。しかしながら、軌道が全部埋まっちゃった場合はスピンが違う向きにも電子を詰めていかなくてはいけないわけで、例えば、遷移金属でも銅は全部軌道が埋まっちゃっていて非磁性になっています（磁化の測定をするときに、ノイズにならないように銅線で固定したりします）。

お礼

ご返事ありがとうございます。
やっぱりパウリの排他原理が、理解できません。
素人の自分に解る言葉で、説明があればうれしいです。
磁性とは、なかなか難しい問題なのですね～

回答No.2

11yuji

まず、遷移金属元素（鉄、ニッケルなど）の電子のスピンの向きがそろっている理由は、パウリの排他原理とフント則により、スピンの向きがそろっている方がエネルギー的に安定しているのです。
これにより磁気モーメントを持つようになります。

この磁気モーメントが外部磁場がない状態でそろっている（磁区がそろっている）ものを強磁性体と呼びます。磁石がそうですね。
これに対して外部磁場がない状態では磁区がばらばらなもので、磁場を与えるとそろう（磁石にくっつく）ものを常磁性体と呼びます。遷移金属がそうです。

電子のスピンの向きの測定方法は、スピン分解光電子分光法、スピン分解逆光電子分光法、MCD、PEEMなどがあります。
これはスピンの向きによって電子数が違うことを、円偏光を用いたりスピンの向きをそろえた電子線を用いたりして調べる分光法です。

こんな説明でどうでしょうか？

お礼

パウリの排他原理

一つの軌道には，スピンを異にして，電子は2つまで入ることができる．
原理とは，絶対的な規則である．一つの軌道に電子が3つ入ることはありえない．

フントの規則

縮退している複数の軌道に電子が入るときは，まず，異なる軌道に分散する．フントの規則は，絶対的ではない．

パウリとかフントとか知らないので調べてみました。
フントの規則は、なにを言ってるのか文章が理解できません。
これが理解できたら、もう少しボクにも磁性が理解できるのにな～
ご返事ありがとうございました。

回答No.1

hatobou

磁石にするときに強力な電場をかけて粒子の
向きを同じにするからだそうです。
だから、磁場が重ね合わさって強力になるそ
うです。

スピンの向きの調べ方は私はシュテラン＝ゲ
ルラッハの実験しか知りません。
不均一磁場に銀イオンを通過させてやると２
方向に分かれるのは、電子が下向きと上向き
の２つを持っているからだそうです。
分かれる数をｕでスピンをｌとすると、
２ｌ＋１＝ｕ
で、スピンは決定されるそうです。

お礼

ご返事ありがとうございます。

（磁石にするときに強力な電場をかけて粒子の 向きを同じにするからだそうです。）

金属なら、強力な磁場をかけたらみんな、電子のスピンの向きが同じに成るような気がして、そこが分からないのです。