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。

A 回答 (5件)

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。
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この回答へのお礼

ミクロなお部屋
http://www.gavo.t.u-tokyo.ac.jp/~hosoyama/chemic …
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。

お礼日時:2001/10/30 10:49

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。(^_^;
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この回答へのお礼

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。

お礼日時:2001/10/29 11:22

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)。
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この回答へのお礼

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~

お礼日時:2001/10/29 11:10

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?
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この回答へのお礼

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。
  

お礼日時:2001/10/29 10:52

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。
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この回答へのお礼

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。

お礼日時:2001/10/29 11:03

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Q反強磁性体

磁性体は、強磁性体、常磁性体、反磁性体に大きく分類されていますが、反強磁性体はこの3つのうちのどれに属するのですか?どなたか教えてください。

Aベストアンサー

>強磁性体、常磁性体、反磁性体に大きく分類されていますが

この分類は適切ではありません。

磁性は、先ず、正の磁化率を示す「常磁性」と、負の磁化率を示す「反磁性」に分類されます。

正の磁化率を示す物体には、温度による磁気的性質の変化があまりないものと、ある温度を境に急激に性質が変わるものがあります。後者のグループは、磁気相転移温度以下で磁気秩序構造をつくるものです。

この磁気秩序構造の分類として、強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体、などがあります。つまり、強磁性体も反強磁性体も、十分温度を高くすると、いずれは普通の常磁性を示すようになります。ただし、磁性物質の分類の立場では、温度を下げれば(例えば)強磁性体になることが判っている物質は、常磁性状態にある時から強磁性体と呼ぶこともあります。

お尋ねの反強磁性体は、ネール温度と呼ばれる転移温度より高い温度では常磁性を示し、それ以下の温度では反強磁性の秩序構造をつくる物質群です。磁化率が正か負かという観点では、常磁性を示す方に分類されます。

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この3つの意味がいまいちわかりません。
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harmonics of the winding's MMF
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(極数がnの回転機だと理想的には、起磁力の分布は sin(nθ)になりますが、現実には、sin(m(nθ))の高調波成分が表れてしまうと。)
巻線に起因する起磁力の空間分布以外に、巻線に流れる電流が歪んでいることによる空間/時間分布の高調波を示している可能性も有りますが。

harmonics of the flux density
これも起磁力と同様、磁束密度の空間分布/時間分布が正弦波状にならずに、高調波がのっていることを表わしているかと。

正接方向
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Q磁性体は導体か

お世話になります。

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これは磁性体も絶縁体ではなく金属と同じ導体に分類されると解釈したらいいのでしょうか。

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物質の分類として
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ということです。

磁化率も導電率も互いに独立した物性ですから
磁性体であることと、絶縁体であることは関係ありません。

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難しいですね。ダイヤモンドは熱伝導は良いですがちょっとね・・・
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一般の方向を向いたスピンは「+z方向のスピン」と「-z方向のスピン」の重ね合わせで表される事になります。
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のような3成分のベクトルで表される量ではありません。
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雷について教えてください。
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言葉の意味を整理しておきましょう。
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電子は断らなくてもマイナスなのですが、稲妻の伸びる方向は双方から伸びていきます。地上数百メートルに負電荷に帯電した部分が発生し、プラスの地上と負電荷帯双方から、細い稲妻が伸びて両端が接すると大電流が流れて放電します。
 ただ、稲妻の伸びる速さに比較すると電子の移動速度はとっても遅い。これは電線の中を流れる電子速度はカタツムリくらいの速さでも、電流は導体中の電荷の移動速度=電流の速度は、その導体中の光速と同じであることと似ています。

QMNR-核常磁性共鳴の質問

核常磁性共鳴は、なぜ常磁性物質には適応されず、反磁性物質について測定されるのでしょうか?どなたか教えて下さいませんか?

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一般に常磁性共鳴とは、電子常磁性共鳴(EPR)を示すはずですが・・・
質問の内容から察すると、NMRについてですかね?
普通、NMR->反磁性物質、EPR->常磁性物質ですから。

で、常磁性物質のNMR測定を行うと、常磁性緩和により信号の著しい広幅化
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Qスピンと磁性

よく電子のスピンが揃っているから強磁性など、磁性はスピンで決まるといった記述をよく見かけます。なぜスピンが磁性と関係があるのでしょうか?量子力学はまだ習いはじめなのでなるべく簡単な話でお願いします。

Aベストアンサー

電子は固有の角運動量(ベクトル量)を持っていて,これはスピン角運動量(あるいは単にスピン)
と呼ばれます.
電子のスピンには磁気モーメント(ベクトル量)が付随しています.
たとえば言えば,小さな磁石みたいなものです.
スピンの向きがバラバラですと,
全体で見たときに磁気モーメントは打ち消し合って
(ベクトル量の合成ですから,大きさ一定で方向がバラバラですと,零ベクトルになってしまいます),
大きな磁石のようには見えません.
一方,スピンの向きがそろっていると,全体で磁気モーメントが残り,
大きな磁石のように見えます.

なぜ,電子に磁気モーメントが付随しているかのわかりやすい(しかし正確ではない)
説明は以下のようなものです.
円電流が磁気モーメントを持っているのはご存知でしょう.
電子は電荷を持っていますから,
もし電子が自転していれば円電流と似たようなことになるので,
磁気モーメントを持つでしょう(当然,角運動量も持つ).
スピンという言葉自体が量子力学の初期の頃の上のような考えに基づいています.

なお,磁性にはスピン角運動量だけではなく軌道角運動量も寄与します.

電子は固有の角運動量(ベクトル量)を持っていて,これはスピン角運動量(あるいは単にスピン)
と呼ばれます.
電子のスピンには磁気モーメント(ベクトル量)が付随しています.
たとえば言えば,小さな磁石みたいなものです.
スピンの向きがバラバラですと,
全体で見たときに磁気モーメントは打ち消し合って
(ベクトル量の合成ですから,大きさ一定で方向がバラバラですと,零ベクトルになってしまいます),
大きな磁石のようには見えません.
一方,スピンの向きがそろっていると,全体で磁気モーメント...続きを読む


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