電子のスピンとは？

質問

鉄には電子のスピンがうちけさないため、磁界ができるようですが、でんしはＳ，Ｐ，Ｄ軌道を動いていますよね。それなのにスピンをもっているとはどういうことなのですか?

回答No.2

kexe · ベストアンサー

おおよそHIMADESUさんの答えでよろしいかと思います。

ですが勘違いをなさるかもしれない点があったので補足しておきます。
tetuharuさんのおっしゃっている軌道と
HIMADESUさんのおっしゃっている『一つの軌道に電子(電子スピン)は２個入ります』
この文章で出てくる軌道、この２つの軌道言葉は同じですが
さしているものは違うんです。

簡単にいいますと、tetuharuさんの考えているだろう電子は
（つまりｓ、ｐ、ｄ軌道上にある電子とは）
HIMADESUさんのおっしゃっている電子が２個はいった軌道
のことをさしているのです。
HIMADESUさんのおっしゃっている軌道というのは
結合性軌道というものであり、量子力学の本に必ず出てきますよ。

量子力学・量子化学はとっつきにくいでしょうが
がんばってください。

回答No.5

motsuan

原子の中において電子どうしの間でクーロンポテンシャルを通して相互作用が働きます。この相互作用はパウリの排他律によって単なるクーロン斥力だけでなく交換相互作用を生み出します。電子の軌道が原子核と電子の相互作用に着目して（近似的に）得た状態なのに対して、交換相互作用は電子どおしの間の相互作用です。基本的に磁化が発生するのはこの電子の相互作用によって原子核と電子の相互作用により決まるエネルギー順位が入れ替わってしまうからです（ワイスの強磁性の平均場理論に相当すると思います）。図式的に表すと
　エネルギー順位
　＝軌道（原子核と電子の相互作用）エネルギー＋電子の相互作用エネルギー
という感じでしょうか。このとき下から電子を詰めていって、余分なスピンがあると磁化が発生します（といっても、電子どうしの相互作用が関係し、１個電子を加えると相互作用の仕方が違ってくるので、単純に電子をつめていくのとはちょっと違います。交換相互作用は磁化を発生させる方向に働くため、これが大きいことが磁化をもつためのほぼ必要条件になります）。
　普通の金属の場合は電子どおしの相互作用はフェルミ面より下の場合は状態全部占有されているために単なる原子核のクーロンポテンシャルの遮蔽としてはたらき、フェルミ面近傍では電子ガス的（ｓ、ｐ軌道がベースのバンド）であれば電子のクーロンポテンシャルは他の電子によって遮蔽されます。しかしながら、遷移金属などでは、フェルミ面近傍に３ｄ電子など原子に局在した電子があり（原子の周りをくるくる回っているために、同じエネルギーであっても原子核に近いところに電子の雲が集中している）、この場合には大きな相互作用をもたらし大きなクーロン斥力や交換相互作用がはたらきます。したがって、上記により強磁性が発生します。この局在性とバンド（自由電子）的な性質があるため遷移金属などでは、バンド理論として説明する立場と、原子の軌道と原子間の電子の相互作用という概念を使って説明する立場２通りがあります。（この二つの立場は現在は統一されて理解されています。）
　説明が長くなりましたが要は電子の相互作用による効果だということです。siegmundさんがおっしゃっているように、金属の磁性の場合は、電子の相互作用がフェルミ面近傍で作用するために（フェルミ面の不安定性から）多体効果が大きく現れていまだに完全に理解されているわけではありません（といっても、平均場の範囲であれば、バンド理論でも、局在理論でも、相互作用の大きさを現象論的にもってきさえすれば、そんなに難しいはなしではなく、そういう意味では大体のところは分かっています）。

回答No.4

boow

工学の分野や化学の分野で磁化といったら、電子のスピンの事は忘れてください。
覚えていたとしても、「同じ軌道には向きの異なったスピンを持った電子同士しか入れない」というパウリの排他則（だったかな）があったな程度でいいと思います。
もし、スピンについて知りたいのであればとりあえず「異常ゼーマン効果」というのを調べてみてはいかがでしょうか？
（あわせて「ゼーマン効果」も調べるとなぜ「異常」なのかも解ります。）

回答No.3

siegmund

孤立した鉄の原子，あるいは化合物結晶中の鉄の原子が磁気モーメントをもつことと，
金属の鉄が強磁性体になることとはかなり話が違います．
質問には「磁界ができる」という表現がありますので，後者の方として回答します．

金属強磁性体の話は現在でも固体物理学の難問の一つです．
鉄の磁性を担っているのは３ｄ電子で(４ｓ電子も少し関与している)，
この３ｄ電子は鉄原子核の束縛を離れて遍歴電子になりバンドを作っています．
強磁性になるかどうかは，バンドの構造と電子間相互作用で決まりますが，
具体的に強磁性になる条件を特定するのは非常に困難な問題です．

なお，鉄にはｆ電子はありません．
４ｆ電子が重要になるのはランタニド元素(希土類)です．

回答No.1

HIMADESU

大学時代に習ったことなので、もう忘れてしまいましたが、確かこんなことだったと思います。
　一つの軌道に電子は２個入ります。この２個の電子は逆方向のスピンとなるように存在して、磁界を打ち消しています。鉄の場合、磁化されていない時は、最外核の軌道に２個電子が入って磁界が出来ないのですが、外部から磁力を与えると、この電子の内、１個がｆ軌道に移動します。この結果、電子が1個入っている軌道が二つになります。この時、この２つの軌道の電子は、同方向のスピンになるため、磁界が発生する。
　もう２０年以上も前に習ったことですが、こんなことだったと思います。