磁石になる原子とそうでない原子の違いは？

質問

鉄のように磁石になる原子と磁石にならない原子および分子は何が違うのか？教えてください。

回答No.4

siegmund

物理屋の siegmund です．

> 原子一個一個が磁性をもつことについては、どの部分が自分の分からない点で
> あるかをある程度知り始めてきましたが、
> 分子や原子のかたまりなどの場合については全くわかりません。

そんなに簡単にはわかりません．
簡単に解説できる理論を私が持っていれば，ノーベル賞もらっています(^^)．

冗談はさておきまして，個々の原子の磁気モーメントなどがわかっても，
それらのマクロな集合である物質の磁性はまた別の問題です．
同じ物質でも，圧力や温度などのパラメーターを変えると
磁性が出たりでなかったり，超伝導になってしまったり，
ということが起こります．
このように，磁性あるいは他の秩序状態が発現するかどうかは
非常に微妙な状況で決まっているのでしょう．

私程度の物理屋が持っている磁性の知識でもテキスト１冊にはとうてい書き切れません．
磁性にはこの道の権威が書いたテキストが数多くあります．
そこらへんから勉強されるのがよいのではないかと思います．

お礼

ご返答ありがとうございます。
生物や化学を勉強している学生の私にとっては
どうしても物理や数学は手がつけにくい分野で
しかし現在、分析などではこの磁性を用いた手法などもあり、
ある程度の理論は知る必要があるかと思っているところです。
物理の中の磁性ひとつでも奥が深いことを知りました。
ばほっと大雑把に分かればいいかと思ったんですが、
そうもいかないようなので、
今回の回答などを参考にがんばってみます。
ありがとうございました。

回答No.3

siegmund

孤立した原子が磁気モーメントをもっているかどうかと，
単体あるいは化合物が強磁性(など)を示すかどうかとは，
区別して考えないといけません．

孤立した原子の磁気モーメントの話でしたら，
軌道に電子を順に詰めていくときの様子で決まります．
磁気モーメントをもたらすのは電子軌道の部分と電子スピンの部分の
両方です．

個々の原子が磁気モーメントを持っているとしても，
それらから成るマクロな物質(例えば，鉄のかたまり)がどのような磁性を
持つのかは直ちにはわかりません．

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=195946
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=103956
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=246306
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=156828
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=140125
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=69013
などの議論をご参照ください．

お礼

上記の議論の内容を見て勉強させていただきます。
ご回答ありがとうございました。
原子一個一個が磁性をもつことについては、どの部分が自分の分からない点で
あるかをある程度知り始めてきましたが、
分子や原子のかたまりなどの場合については全くわかりません。
原子の延長上で考えると、金属の場合、金属結合(自由電子)に関わる
だろうｓ軌道の電子たちは磁性に関わることはなさそうな？感じは
イメージできるんですが、そして、ｄ軌道やｆ軌道の電子たちの
ふるまいが重要な感じが分かり始めただけなので、
もしお時間がありましたら教えてください。

回答No.2

Mell-Lily

周期表の中で強磁性を示す元素は、鉄、コバルト、ニッケルとランタノイドの一部です。　これらの元素に共通していることは、内側の電子殻が、全て満たされてはいないということです。勿論、強磁性を示さない元素で、このような電子配置をもつ元素もあります。
物質の磁性は、基本的に量子力学によって説明されます。パウリの排他原理によれば、二つの電子には、互いにスピンを反対向きにしようとする傾向があります。しかし、鉄などの強磁性を示す一部の元素に限っては、個々の原子のスピンが平行になる傾向があります。従って、一連の物質は、強磁性を示すわけです。
強磁性については、完全には分かっているとは言えません。実際、理論による磁性の定量的な計算は、未だ成功していません。

お礼

回答ありがとうございます。お礼が遅くなってすみません。
でも、どうしても遷移元素のすべてが強磁性をもたない理由がわかりません。
例えば、周期表で鉄の隣のマンガンはダメで、逆隣のコバルトは鉄と同じく
強磁性を示す、そしてその隣のコバルトまで、さらに隣の銅はダメ・・・？
その理由はわからないんですが、このルールでいくと、ｄ軌道は５種類あるので、
ｄ軌道を埋めていくSc～Mnまでのフントの規則でスピン同じ向きで一個ずつ元素
では磁性を示さないとすると？ランタノイドも同じルールで考えると
La～Euまでは磁性を示さず、その次のGd・Tb・Dy・Ho・Erが磁性を示すことになる
んでしょうか？でも、Gd・Tbは４ｆではなく５ｄに一個入るので、それを除くと
Dy・Ho・Erの３つが強磁性を示すんでしょうか？またまた質問ですみませんが
よろしくお願い致します。

回答No.1

38endoh

磁石になる材料を強磁性体といいますが，強磁性体の各々の原子には不対電子が存在します。個々の不対電子はそれぞれ小さな磁石として振る舞いますが，すべての不対電子の向きが一方向に揃うと，全体が大きな磁石になります。これがいわゆる「磁石」です。

　磁石になるかどうかは二つポイントがあり，一つ目は原子が不対電子を持つこと，二つ目はお互いの電子の向きを揃えあう力（交換相互作用）が大きいこと，です。後者は原子間距離や軌道の対称性に強く影響されます。

お礼

早速の解答ありがとうございます。
もう少し考えます。