鉄はなぜ磁石にくっつくのか？

「鉄は磁石にくっつきます。」、「磁石にはN極とS極があります。棒磁石２個を用意して縦に並べると、N極とS極は引き合い、N極どうし、あるいは、S極どうしは反発します。」などの説明や実験は小学校頃に受けたと思います。しかし、「どうして引き合ったり反発したりするのか」、「磁気とは何なのか」などは、部分的には説明できても、全部はできない方も多いと思います。ここでは磁気はどのように生じるのか、鉄はどうして磁石にくっつくのか、永久磁石とは何なのか、について説明したいと思います。

１．原子の磁気モーメント
棒磁石を割ったり砕いたりすると、個々のかけらは全て磁石となります。さらに細かくしても同じで、最後の原子になっても１個の磁石となります。この１個の原子の持つ磁気力を原子の磁気モーメントと呼びます。
原子の磁気モーメントは、電子や原子核を構成している粒子の中で電荷を持った粒子の回転が源になっています。電荷粒子の動きは電流が流れることを意味し、電流が流れると磁場が発生します。原子の磁気モーメントは次の3つの磁気モーメントから成り立っています。

図１電子の公転による磁気モーメント

図２電子のスピンによる磁気モーメント

１）電子が原子核の周りを回転運動することによるもの
　　　　　　　　　　　　＜軌道磁気モーメント＞

マイナスの電荷を持った電子は原子核を中心とする軌道運動（回転運動）をしており、逆向きの電流が流れることになります。コイルに電流を流すと電磁石になるのと同じ原理で磁気モーメントが発生します。

２）電子が自転することによるもの
　　　　　　　　　　　＜スピン磁気モーメント＞

電子は自転（スピン）しています。電子の電荷が表面にあると考えるとコイルに電流が流れることになるので磁気モーメントが発生します。これをスピン磁気モーメントといいます。
同一電子軌道には、自転の向きが異なる上向きのアップスピンと下向きのダウンスピンをもったペアになった電子(対電子)が周回運動しています。アップスピンとダウンスピンの電子が発生させる磁場は互いに打ち消し合います。原子のスピン磁気モーメントとして現れるのはペアが組めない電子(不対電子)によるものです。

３）原子核の自転によるもの＜核磁気モーメント＞

原子核を構成する陽子、中性子などの核子は磁気モーメントを持っています。陽子と中性子の数が共に偶数の場合にのみ核磁気モーメントはゼロとなります。それ以外の場合には、残った不対陽子あるいは不対中性子の磁気モーメントの組み合わせとなります。核磁気モーメントは病院のMRIなどの核磁気共鳴装置に応用されています。

原子の磁気モーメントはこれら３つの磁気モーメントを合わせたものになります（磁気モーメントの向きが反対のものは引き算）。核磁気モーメントは電子の磁気モーメントと比較すると非常に小さいため無視することができ、磁性は電子による軌道運動磁気モーメントとスピン磁気モーメントから生じることになります。

図３鉄(Fe)原子の電子軌道とスピンの向き

鉄のスピン磁気モーメントについて説明します。鉄(元素記号：Fe)原子の電子数は26個で、図３に電子軌道を示します。1s～3p電子軌道までの電子はアップスピンとダウンスピンがペアを組むので、磁気モーメントは打ち消しあって消失します。3d電子軌道には6個の電子が入っています。内2個はアップスピンとダウンスピンでペアを組み磁気モーメントは打ち消し合います。他の4個がアップスピンとダウンスピンのペアが組めない不対電子状態で残り、それによってスピン磁気モーメントが発生します。なお、強い磁性を持つコバルト(Co)ならびにニッケル(Ni)では3d電子軌道にそれぞれ3個、2個の不対電子をもち、ガドリニウム(Gd)では4f電子軌道に7個の不対電子をもちます。

２．物質の磁性
一般の物質は磁石にくっつく・くっつかないに関わらず、原子レベルで見れば、周囲に磁場が無くても磁気モーメントを持っています。ところが、金属や結晶などの（原子レベルではない）物質レベルではまた別の話になります。
鉄など強磁性体と言われる物質では、隣り合った原子の間に磁気モーメントの向きを揃えようとする相互作用が働きます。これは量子力学的な力で交換相互作用^*1と言います。そのため、各原子の磁気モーメントの向きが自発的に揃うので、磁場をかけなくても磁化^*2が生じます。これを自発磁化と言います。

*1 強磁性を示す鉄、コバルト、ニッケル金属では、最隣接原子の3d軌道の電子雲が重なるので、それらのスピン間には直接交換相互作用と呼ばれる力が働き、スピンの方向が同じ方向に揃います。一方、フェライトなどの酸化物磁性体では、磁性原子間の間に酸素原子があります。そのため磁性原子スピン磁気モーメントの間に働く相互作用は、遷移金属の3d電子同士の重なりで生じるのではなく、酸素の2p軌道電子が遷移金属イオンの3d軌道に仮想的に遷移した中間状態を介して超交換相互作用と呼ばれる力が働きます。

*2 鉄どうしは普段は磁石として互いに引き合ったりはしせんが、磁石には引き寄せられます。磁石に引き寄せられた鉄はさらに別の鉄を引き寄せます。このとき、鉄は分極（磁気分極）して磁石になっており、この現象を磁化と言います。

図４強磁性体の磁化過程

磁気モーメントの向きが揃った部分を磁区と言い、磁区と磁区との境界線を磁壁と言います（図４）。鉄の単一結晶内には無数の磁区ができますが、隣り合った磁区同士で磁気モーメントを打ち消しあっています。その結果、外部には磁性が生じません。磁石を近づける時、外部磁場が弱いうちは外部磁場方向の磁区の体積が増えていき、さらに強くすると単一磁区構造となって磁石となります。そのため、外部の磁石と鉄はお互いに磁石なので引き合うことになります。外部磁場をなくすと、鉄は元の磁区構造になり磁性がなくなります。
磁区内で磁気モーメントが同じ方向に向かったら強磁性になり、互いに逆方向に並んだら反強磁性になります。その他にも、常磁性、反磁性があり、表１にこれらの磁性体の種類と磁気モーメントの配列を示します。
強磁性体にはキューリー温度と言われるものがあり、この温度を超えると熱揺らぎが交換相互作用に打ち勝ち自発磁化を失います。鉄のキューリー温度は約750℃です。

表１磁性体の種類と磁気モーメントの配列

　　　　　　　　　　　（株式会社アクタスのhttp://www.kk-actus.jp/sourceより）

３．永久磁石
鉄そのものは永久磁石にはなりません。一方、鉄と炭素の合金である炭素鋼については、強い外部磁場をかけて鉄の磁区を同じ向きに合わせ、その後に外部磁場をなくしてもその状態が保たれて磁性が残ります。これが永久磁石です。磁区配列が元の状態に戻らないのは炭素が磁壁の移動を動き難くしているためです。
フェライト磁石は、強磁性体を細かく砕いて磁壁の厚さくらい（数10ナノメートル）の微粒子にしておいて磁壁の発生を抑えています。そのため、磁区の移動は結晶自体の移動となりますので大きなエネルギーが必要となり、磁区状態がそのまま保たれることになります。冷蔵庫にメモなどを貼る磁気クリップは酸化鉄の粉末を固めたバリウムフェライトというものです。
ネオジウム磁石は磁壁のエネルギーが極めて大きいものです。初期状態では磁壁が存在しても、一旦飽和し磁壁が無くなると、外部磁場をゼロにしても磁壁が生じなくなるため、磁区状態がそのまま保たれることになります。とても強力な磁石で、日本で発明されたものです。

まとめ
かなり長い説明になりましたが、まとめると次のようになります。
磁性の源は原子の磁気モーメントで、一般の物質は原子の磁気モーメントの並び方により強磁性や反強磁性、常磁性などになります。鉄などの強磁性体では、隣り合った原子の間に磁気モーメントの向きを揃えようとする性質があり、磁場をかけなくても磁化（自発磁化）します。ところが、鉄の固まりは同じ方向の磁気モーメントになるのではなく、磁区と呼ばれる小領域に分かれていて、それぞれの磁区は磁気モーメントが逆方向（ループ）になるので打ち消し合って、外部には磁性が生じません（つまり鉄があるだけでは磁石になりません）。これに棒磁石などによる外部磁場を加えると、各磁区は磁気モーメントが磁場の向きに並ぶので磁石となり、棒磁石にくっつくことになります。
磁石のN極・S極の引き合いや反発が生じること自体についての十分な説明は今の科学ではできないと言われています。プラスとマイナスの電気力、重力、原子核内の核力などについても、その力がなぜ生じるかの説明ができないのと同じですね。ここでは、磁気においてもこの力（磁気力）が存在するということを前提として、磁気の性質やどのようにできているのかについての説明を行ってきました。