磁性とキュリー温度

質問

宿題で磁石や鉄について調べています。
調べていたら、「常温で強磁性をしめすものはFe,Co,Ni,ガドミウムである」と出てきましたが、つまり、他の不対電子がある原子はキュリー温度が低いので常温では常磁性だが、温度を下げれば強磁性をしめす、ということでしょうか...？
細かく学習したワケではなく、１から調べているので文章が変かも知れません...

回答No.1

BCS1957 · ベストアンサー

こんにちは。

とりあえず、キュリー温度wikiページに主な強磁性体のキュリー温度(キュリー点)の一覧が乗っていますので、参考にして頂くと良いと思います。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%AA%E3%83%BC%E6%B8%A9%E5%BA%A6

Gd(ガドリニウム)は室温といっても20℃以上では常磁性体となります。
Dy(ジスプロシウム)は88K(-185℃)以下で強磁性体となります。
低温を含めても強磁性体になる"元素"はそんなに多くないですね。
化合物ではなく、元素に限ってしまえば本当に数種類しかありません。

Fe/Co/Niといった物質がなぜ強磁性を示すかについては、スピンというものを使って大まかに説明することができます。

電子は上向きスピン↑(+1)と下向きスピン↓(-1)のどちらかの状態をとることができます。
不対電子のスピンの合計がゼロ以外であれば強磁性になる可能性を秘めています。
もっとも簡単な水素原子(電子1個)でお話しますと、スピンは↑or↓の状態をもち、合計スピンは+1 or -1となり強磁性になるかと思いますが、残念ながら現実にはそうはなりません。
これは、通常水素原子は2個くっついて水素分子として振る舞い、合計スピンが+1+(-1)=0となるからです。
水素分子中の2個の電子が↑↑(=+2)になれば強磁性を示す可能性はあるのですが、生憎、↑↓or↓↑の状態を取ります。

では次に鉄(Fe)について説明します。
4s軌道に2個の電子が入っている状態を4s(2)等と記述することにします。
Feの電子配置は[Ar]3d(6)4s(2)です。
([Ar]=アルゴンの電子配置。ここは磁性には寄与しないので無視します)
Feは結晶中でFe3+のイオンになります。Fe3+の周り残った不対電子は3d電子5個です。
この5個の電子のスピンが全て同じ方向を向いた場合(↑↑↑↑↑or↓↓↓↓↓)、合計スピンが+5 or -5になります。これは1個のFe3+が磁石とて振舞っていることを意味します。
結晶中のFeイオンが全て同じ向きを向いていたなら、それは強磁性になります。
Feのキュリー温度770℃以下では、この状態になっていますので、室温でFeは強磁性体となります。

さて、次に銅(Cu)を例にとって考えます。
Cuの電子配置は[Ar]3d(10)4s(1)です。
結晶中ではCu2+となるので、3d電子が9個あります。
さて、ここで9個の電子が全て同じ方向を向くことはありません。
d軌道には5個の箱があり、1個の箱に↑と↓のスピンを持った電子が1個ずつ入ることができます。
つまり1個の箱に↑↑or↓↓の状態で入ることはできません。
したがって5個の箱に9個の電子が入る場合、4個の箱は必ず↑↓の組となり、残った1個の箱に1個の電子(↑or↓)が入ります。合計スピンは+1or-1となります。
合計スピンがゼロではないので、強磁性になる可能性はありますが、これが結晶を組んだときに、同じ向きに揃わなければなりません。
残念ながらCuはそうはならないのです。
(ここら辺は非常にややこしいです；)

磁性は身近な現象でありながら、理解するのが非常に難しいです。
　(1)原子(イオン)の合計スピンがゼロでないこと
　(2)そのスピンの向きが結晶中で揃っていること
少なくともこの2つが満たされないと強磁性は示しません。多くの元素では(2)を満たすことができないでいます。

最後に温度依存の話をします。
温度が高くなると強磁性は消えます。
これは、温度上昇に伴って電子のスピンの向きが不安定になるからです。
(物理学では"ゆらぎ"と呼んでいます)
低温で強磁性を示すのも、低温になるとスピンのゆらぎが抑えられ、スピンの向きが安定してくるからです。
(冷やすと液体が固体になるように、スピンの向きも固まるというイメージでしょうか)

長くなってしまいましたが、参考になれば幸いです。
色々調べると面白く、おそらく際限ないです。
時間の許す限り調べて、理解した範囲で回答すると良いと思います。

それでは宿題頑張って下さい。

お礼

詳しい説明をありがとうございます。とても分かりやすいです！
では、コバルトやニッケルも結晶中で同じようにしてスピンが同じ方向に向く、ということでいいですか？？

回答No.2

BCS1957

＞コバルトやニッケルも結晶中で同じようにしてスピンが同じ方向に向く、ということでいいですか？？

そういう認識で大丈夫だと思います。
(全てのスピンがまったく同一方向を向くわけでもないのですが、全体としてある方向を向いています。)

◆コバルト
Co：[Ar]3d(7)4s(2)
結晶中でCo2+：[Ar]3d(7)
7個の電子が5個の箱に入るので、「↑↓」「↑↓」「↑」「↑」「↑」で正味3のスピンで、かつ結晶中のスピンの向きが揃っています。

◆ニッケル
Ni：[Ar]3d(8)4s(2)
結晶中でNi2+：[Ar]3d(8)
8個の電子が5個の箱に入るので、「↑↓」「↑↓」「↑↓」「↑」「↑」で正味2のスピンで、かつ結晶中のスピンの向きが揃っています。

お礼

ありがとうございます！！
原子は奥が深いですね。
とても助かりました！！！