磁石は分子レベルに切っても磁石か？ 43
ストーリー by nagazou
分子サイズの世界 部門より
分子サイズの世界 部門より
「知」の交流コミュニティで「磁石って分子レベルに切っても 磁石なんですか？」という質問が上がっている。この質問の回答者は素粒子物理学を専門にする学者の橋本省二氏。磁石は半分に割っても分かれた2個にそれぞれS極とN極ができてしまうのはよく知られている。質問はこれを分子レベルにまでバラしたらどうだろうというものだ。条件が整えばできるようだが、回答の結論的には
やっぱりちゃんとは説明できませんでした。降参です。
とのことで結構な難題であったようだ。
磁石の定義？ (スコア:3, 興味深い)
磁石の定義を問う問題だな。
A) ほとんどの原子/分子が磁気モーメントを持っている。それこそ陽子1個とかでも磁気モーメントを持つ。
多くの分子は磁界を打ち消すマイナスの磁気モーメント(反磁性)を持っている
B) 磁石を構成するような原子/分子はプラスの磁気モーメントを持っている
プラスの磁気モーメントを持つものは互いに影響して同じ方向に磁気モーメントを揃えて強めあう性質がある(強磁性)
C) 一般的な磁石は、複数の原子/分子の磁気モーメントの方向が揃った状態で固定され、常にマクロに影響を及ぼすようになったものをいう(常磁性)
磁気モーメントのマイナスは磁石として認める？ プラスなら1個だけでも磁石としてみとめる？ 1個じゃ打面なら何個から？ 固体として固定されていないと駄目？ 原子/分子が何個あれば固体と認める？
Re: (スコア:0)
しまった、編集で肝心の部分が落ちた
プラスの磁気モーメントを持つものは ⇒ プラスの磁気モーメントを持つもの「の中には」は
Re: (スコア:0)
「水って分子レベルに切っても 水なんですか？」みたいな？
H2Oが複数のクラスタを組んだものを水や氷と呼ぶけど、単分子の場合に水蒸気と呼ぶかと言われるとそうでもないよな……
Re: (スコア:0)
子ど向けのなぞなぞの定番のやつ、答えは水。
金太郎飴を分子レベルに切っても金太郎が出てくるのかな？とか
プラナリアは分子レベルに切っても再生するんだろうか？とか疑問は尽きない
Re: (スコア:0)
平たい石ころを川で投げたら、結構切れた
Re: (スコア:0)
おっさんの小便だよ
Re: (スコア:0)
腐れ縁
Re: (スコア:0)
サイズ的に石じゃない
Re: (スコア:0)
結局のところここがポイントになりそう。
じゃあどこからが「石」なんだ、という問題はあるけども。
Re: (スコア:0)
磁石の定義なんて聞いてないな
Re: (スコア:0)
定義がないのに何故それがそれである或いはそれでないと言い切れる？
Re: (スコア:0)
主観的な判断で言い切ることは簡単だ。
Re: (スコア:0)
トピックの文章に即せば、分子1個を持ってきて、ここがN、ここがSと言えるかどうか、かな?
モノポール (スコア:1)
SFでたまに見かける単語ですが、理論上は存在しうるとかで実物は見つかってないようですね
#むかーし解説を読んだけはずだけど覚えてない
Re: (スコア:0)
現代の一般的に認められている科学の範囲では「存在しない」。
これは「ない」ことが立証されているという意味ではない。
存在した場合には現在の理論に何らか欠陥があることになるという意味。
まあ現在の理論に欠陥があることは他の理由からほぼ明らかで、現在物理学者たちが追い求めている新しい理論では存在する可能性がある。(もっといえば多くの物理学者が有力と予想している理論では「存在する」。逆にポノポールを発見することでその予想理論が正しいことを証明しようとしている)。
Re: (スコア:0)
>存在した場合には現在の理論に何らか欠陥があることになるという意味。
そうだっけ? 現在の理論で考えるとそこそこありふれた物体として存在してそうなんだけど、見当たらないのはなぜだろう、というネタだった気がする。
Re: (スコア:0)
モノポールがあったとしたら、素粒子論はもちろんがっつり修正して頂くとして、
マクスウェルの方程式みたいな日常使っているような理論まで修正されるってことだぞ？
Re: (スコア:0)
素人目には電場と磁場について対称性が出来て簡単になるんじゃないのかなあと思ったり
Re:モノポール (スコア:1)
それな。ざっくり言うとディラックのモノポールがそれだ。
そのあとにいろいろあって、磁気単極子がないと標準理論がこまったことになるんだよね。ガッツリ書き換えないとならん。
「見つからなかった」って論文はたくさんあるけど「見つかった」って報告はないんで話題にならないんだよね。けれど世界中で磁気単極子を発見する試みは行われてる。日本のスーパーカミオカンデや計画されてるハイパーカミオカンデの目的の1つでもある。スーパーカミオカンデができた際に小芝先生は陽子崩壊と磁気単極子の発見で、この装置でノーベル賞が量産できるみたいなことをおっしゃってたんだけどねえ。どっちもまだ見つからん。
余談だけど磁気単極子が見つかれば、そしてちょうでかい加速器で量産できる様になれば、燃料を入れたタンクの中に一緒に入れて磁界で運動させ、燃料の原子核にぶつけて磁気単極子の巨大な質量で核分裂を起こさせてエネルギー源やロケットエンジンにできるんだけどね。
Re: (スコア:0)
＞磁気単極子がないと標準理論がこまったことになる
あ、そうなんだ
学生時代に、マクスウェル方程式（に始まる古典的な場の理論）や量子論がモノポールの存在を否定しない、理論上の居場所がちゃんとある、くらいの話で聞いてたんだけど・・・
色々繰り込んで計算したらトップクォークやヒッグス粒子どころじゃなく重たい、それこそ単細胞生物くらい重い素粒子になるそうじゃない
そりゃ太陽系近傍や加速器程度の環境じゃ見つからんわ、宇宙開闢直後くらいの特殊条件が必要なんだろうさ
同じ理由で電場・磁場の対称性（モノポールの存在から導かれる）も、理論上はともかく観測上追及する魅力を感じなかったなあ
Re: (スコア:0)
磁束の表面積分がノンゼロになると電磁場の説明に困りそう
磁性体の、磁性変化の状態は、具体的には何が起きているか (スコア:0)
鉄とかニッケルとかでも、磁石になっている状態とそうでない状態がありますが
具体的には何が変化しているのでしょうかね。
初等的には微視的な磁石の向きがランダムか、揃っているか、で説明されていますが、
それじゃ答えになっているようでなってない。
スピンの向きが磁石の原動力だとしたら、スピンの向きが変わったからなのか?
まさにMRIはそのスピンの向きが変化するのを捉えて可視化しているわけですが、
あれは水素原子とかのそれを捉えていますが、それと鉄原子のスピンの性質は
なぜ違うのか。物質物理を勉強すればその本質が分かるのでしょうか?
と、思っていたのですが、この素粒子物理の専門家にも解っていないとすると
まだ人類は磁性の本質を理解していないのでしょうか・・・
こないだMRIにうっかりスマートウオッチしたまま入ってしまって(やばかった。事故にはならなかった)
充電端子の磁石反転してしまって使えなくなったのでAC
Re:磁性体の、磁性変化の状態は、具体的には何が起きているか (スコア:5, 参考になる)
以下では，わかりやすい局在磁性の話をします．
局在磁性というのは，固体中の動かない（移動しない）原子や分子の持つ（スピン）磁力が磁性の主原因となっているものになります．
磁石（強磁性，もしくはフェリ磁性）かどうか，というのは，スピンの集団的な性質となります．
一般的に，磁石（強磁性もしくはフェリ磁性）となるためには，
（1）個々の原子や分子がスピンをもっている
（2）隣り合うスピン間に，スピンの向きを同じ向きにしようとする強磁性相互作用（もしくは逆向きにしようとする反強磁性相互作用）が働く．
（3）相互作用が熱によるランダム化に十分勝つほど温度が低く，スピンが物質全体で整列する．
（4）整列の結果一方向に大きな磁化が生じる．
という条件を満たす必要があります．
大抵の有機物は（1）を満たさず，ほぼ非磁性です．（磁性をもつものもあります）
また，（2）の相互作用が反強磁性的な場合，個々の原子や分子が磁力を持っていてもトータルでは打ち消すような配置になることがあります（↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓など）．この場合は反強磁性と呼ばれ，トータルでの磁力が無いので磁石にはなりません．これは（4）を満たさない場合ですね．
ただ反強磁性相互作用からでもスピンの配置によっては磁石を作ることは可能で，フェリ磁性と呼ばれます（詳細省略）．
また，温度が高いと熱（＝すべてをランダムにしようとする作用）に相互作用が負け，スピンの向きがバラバラになります．（3）を満たせない場合ですね．これもまた磁石にはなれません．氷に熱を加えると位置がランダムになって水になる，というのと同類で，相転移と呼ばれます．
相転移にはある程度の粒子数が必要で，また次元性も関係してきます．
このため例えば一列に並べたスピンの場合，どんなに相互作用が強くても絶対零度までスピン配列が固まることができません．つまり磁石になれません．
ということで，磁石を小さくしていくとどうなるか，ということですが，「強磁性とかフェリ磁性とか」という意味での「磁石」（ある方向に磁化を維持する状態）になるためにはある程度以上のサイズが必要であるため，原子や分子1個になると磁石にはなれません．
※ただし，電子1個でもスピンはあり「磁力」は持っています．
なお，『有限時間でスピンが反転するから厳密な意味での「磁石」ではないけど，緩和時間が非常に長いから「一見したところは磁石のように見える」』という「単分子磁石」というものはあります（とは言え，室温のような高温では測定不能なぐらいの速度で反転するので，磁石っぽく振る舞うのは低温に限られますが……）．
こちらは
・ある程度の時間は磁化の方向が定まっている
・一定の磁力がある
という意味では磁石っぽいものの，統計力学的な意味での磁石ではない，というものになります．
厳密に説明しようとすると（説明できなくはないが）結構面倒です．
また，金属としての鉄の磁性は伝導電子による遍歴磁性になるため，固体物理のバンド理論の理解が不可欠となりますので，もうちょっと面倒です．（同じく説明は可能）
同じ組成・結晶構造の鉄が磁石だったりそうじゃないっぽかったりする（針を磁石でなぞると磁石になるが，なぞる前は磁石っぽくない）ことに関しては，「磁区」というものを調べるとわかりやすいかと思います．
違う結晶構造や違う組成の場合には，遍歴磁性であればバンド構造やキャリアがどこまで充填されているかの違いなどにより，磁性が変わることがあります．局在磁性でも，結晶構造が違えば相互作用が違ってくるので，磁石になるかどうかが変わることはよくあります．
Re: (スコア:0)
金属結合した磁性金属を分子レベルに切断するとは何だろう？
Re: (スコア:0)
結局のところ、質問した人が想定している「分子レベルに切るということの意味」と「実際に切る磁石の種類」「磁石としての性質とは何か」少し狭い意味に限定した上で、初等的な定義を持ち出さないと、長文になり過ぎてうまく説明できない気がする。
例えば「『フリー』と書かれたものはどこまでフリーですか」という質問に、「フリーソフトのことならライセンス次第だと思います」のよ
Re: (スコア:0)
切断という質問に短く回答するために固体という条件を理由も無く前提とする事でトートロジーに持ち込んでるだけだね。
まあ「逃げ」と言ってるから判ってやってるんだろうけど。
Re: (スコア:0)
＞（3）相互作用が熱によるランダム化に十分勝つほど温度が低く，スピンが物質全体で整列する．
整列するまでの「時間」の速さで磁力が決まる
Re: (スコア:0)
スピンだけでいえば、ばらばらに向いた方がエネルギーが低くなる。
スピン以外に電子軌道の形の都合というものがあって、スピンが揃った方が(スピンでのエネルギーは高くなるけど)
全体としてのエネルギーは低くなる、という物質が強磁性を持つ。
温度を上げると、電子軌道の都合にあわせて向きを揃えてもエネルギーが低くならなくなり、
結局、スピンもバラバラにした方が全体としてのエネルギーが低くなるので磁性が消える。
Re: (スコア:0)
今度は充電器を持ってMRIに入れば空飛ぶケーブルが拝める、と
Re: (スコア:0)
色々と混ざってるよ。スピンの向きと単純に言っても、電子、陽子、中性子など色々あってそのどれもが磁気モーメントを持っている。
陽子と中性子が合わさって原子核になれば原子核の磁気モーメントが合成される。さらに電子が加わって原子の磁気モーメント、原子が集まって分子の磁気モーメント。
これらは単純な足し算ではなくて軌道とかもろもろな要素で複雑な計算になる。
MRI は水素原子の原子核(=陽子)の磁気モーメントを計測している。
普通の磁石は個々のスピンではなく鉄とかの原子の磁気モーメント(その大部分は電子の磁気モーメントに由来)が元になってる。
Re: (スコア:0)
他の影響も含め全体（系）として考えないといけないうえに、
定義とか専門でな人が理解できるように用語を限定するとか
制限をかけると、専門家とはいえ説明するのは結構大変かと。
> 物質物理を勉強すればその本質が分かるのでしょうか?
固体物理とか固体の電子論とか、がっつり勉強したら本質が分かる…かな？
# 専門家の人って、「あたりまえ」と思っていることも
# 多くて、いざ（哲学みたいになるかもしれないけど）
# 突っ込んで聞くと、答えられないことがある気がする…
Re: (スコア:0)
一般人に説明するには、常人の日常の概念で説明しなければならず、
量子物理の常識はしばしば常人の日常の概念ではありえないようなことがありますから
説明のために、「こういうもんだ」という天下りをいかに少なくできるかが
難しいのだと思います。
# 一休さんに出てくる「どちてぼうや」を説き伏せる勢いで説明してほしい
Re: (スコア:0)
説明が難しいって言ってるだけで、回答は書いてあるな
> 分子レベルになったらどうだろう。それは場合によるでしょう。
> １つの電子は磁石なのです。
ようするに (スコア:0)
コンバトラーの動力みたいなもんなんだよ！（違
Re: (スコア:0)
逆に磁力を攻撃に使えば超磁力兵器（未来少年コナン）になる（スーパーキャッチ光線（ふしぎの海のナディア）は磁力ではなかったらしい）。
電磁力は重力より強力なので、デスクロス・フォーメーション（大空魔竜ガイキング）より容易に攻撃力が上げられるだろう。
その前に！ (スコア:0)
なぜ磁石は木やプラスティックにくっ付かないの？
金属でも銅やステンレスにもくっ付かない
っていうかくっ付くのって鉄だけだったりして？
不思議な現象です
詳しい方解説よろピク
Re: (スコア:0)
目の前の端末で勝手に調ベロ
Re: (スコア:0)
簡単に言えば磁石がくっつくのは磁石だけです。
Re: (スコア:0)
磁性体とは
Re: (スコア:0)
そんなことないよ！
常磁性体とかにも（磁石の磁場がすごく強い、または常磁性体の磁化率が非常に大きい場合）くっつくよ。
阪大の入試問題 (スコア:0)
ゆとり教育第一世代が受験した年(センター試験が実施された年)の阪大の前期試験の物理の問題で、ガラスが磁石にならない理由を説明させる問題が出題された
その問題の答えを探せば良い
Re: (スコア:0)
この問題の解答を見つける前にＴＤＫのWebを見つけてしまった。
じしゃく忍法帳 第80回「ガラスと磁石」の巻 [tdk.com]