亜鉛は磁性を持つか？

亜鉛は、栄養価の高い食品から車の部品まで、あらゆるものに含まれている便利な金属だ。しかし、亜鉛には磁性があるのだろうか？簡単な答えは いや、亜鉛は磁性を持たない.しかし、なぜこの一般的な金属が磁石にくっつかないのか、その背景には興味深い科学がある。

続きを読むプロとして ネオジム磁石メーカー亜鉛の奇妙な磁性について、その全貌をお見せしよう。

亜鉛は磁性を持つか？

いいえ、亜鉛には磁性はありません というのも、不対電子を持たず、磁場からの反発が弱いという反磁性的な性質を示すからである。

亜鉛が磁性を持たない理由

亜鉛の電子配置を見ると、なぜこの金属に磁性がないのか、より詳しく知ることができる：[Ar] 3d10 4s2

重要なのは、10個の電子を保持する内側の3d軌道である。5組のスピン対電子を持つ亜鉛の内殻は、そうでなければ生じるはずの磁気モーメントを打ち消す。また、4s軌道には一見対になっていないように見える電子が2つあるが、量子力学ではスピン・ゼロのペアに結合する必要がある。

つまり、亜鉛原子の電子は対になっており、磁気モーメントを発生させるための不対電子は存在しない。物質が磁性を示すためには、通常、外部磁場に反応してスピンを整列できる不対電子が必要である。

亜鉛が科学者によって "反磁性 "と分類されるのはそのためだ。

ダイアマグネティズムとは何か？

ダイヤモンド磁性 は磁場に弱く反発する性質である。

つまり、強い磁石を亜鉛の近くに置くと、亜鉛は磁石から微妙に離れる。

とはいえ、その効果は非常に微妙だ。また、亜鉛自体が磁化されることはない。

亜鉛のようなダイアマグネットは、外部から印加された磁場と反対方向の誘導磁場を作る。このため、2つの磁場は反発し合う。

しかしこの場合も、誘導磁場は極めて弱く、外部磁場を取り除くとすぐに消えてしまう。

だから亜鉛は鉄のように磁石に引き寄せられることはない。しかし、磁場と相互作用する際には興味深い物理現象を示す。

亜鉛はいつ磁性を帯びるのか？

なるほど、純粋な亜鉛は非磁性である。しかし、他の材料と組み合わせた場合はどうだろう？

亜鉛が磁石のような性質を示すニッチなケースがいくつかあることがわかった：

1.溶融亜鉛メタル

金属亜鉛を溶かして強い磁石のそばに置くと、とても不思議なことが起こる...。

液体金属亜鉛は磁石から微妙に離れる！

何が起こっているんだ？

科学者たちは、溶けた亜鉛が磁場の周りを流れるとき、微小な電流が発生すると考えている。

そしてこれらの電流は実際に、主磁石に対抗する独自の小さな磁場を作り出す。だから磁石は液体亜鉛を反発させる。

もちろん、亜鉛自体が磁気を帯びているわけではない。電流が反発を引き起こしているのだ。しかし、それでも物理学のデモンストレーションとしては面白い！

2.酸化亜鉛

酸化亜鉛は亜鉛原子と酸素原子から形成される無機化合物である。

プラスチックから化粧品、フケ取りシャンプーに至るまで、工業的に広く使用されている。

酸化亜鉛もまた、適切な方法で製造すれば、限定的な磁気特性を示す。

具体的には、鉄、コバルト、ニッケルなどの磁性汚染物質が微量に混入すると、酸化亜鉛は弱磁性になる。

そのため、純粋な酸化亜鉛は反磁性であるが、微量金属を含む不純物のバッチは強磁性を帯びる。

磁性は、存在する汚染物質の濃度と種類に大きく依存する。そのため、ロットは異なり、磁場下で異なる特性を示す。

なぜ鉄は磁性を帯び、亜鉛は磁性を帯びないのか？

なぜ亜鉛は磁石にくっつかないのか？

鉄のように強い磁性を持つ金属があるのはなぜか？

磁性は、物質内で不対電子が回転することによって生じることが判明した。特に、遷移金属は最も磁性が強い傾向にある。

例えば、鉄は外殻に4個の不対電子を持っている！

これにより、電子が外部磁場に整列すると、強力な磁性が出現する。そして、これらの個々の微視的な磁石が並列に積み重なり、何十億もの原子にまたがって効果を倍増させる。

つまり、鉄はそれ自体が強力な永久磁石になることができるが、亜鉛にはそれができない。

ニッケルとコバルトも不対電子を2つ持ち、鉄のような強磁性を示す。

対照的に、亜鉛のような軽い元素は電子殻が完全に満たされ、すべての電子が対になっている。そのため、亜鉛原子は並べることのできる磁気モーメントを全く与えない。

そのため、亜鉛は他の磁場にさらされると、一時的に弱い反磁性を示すだけなのだ。しかし、それ自体で磁性を帯びることはない。

亜鉛がなぜ磁石に逆らうのか、その理由が少しでもわかるといいのだが！では、実際の例をいくつか挙げてみよう。

亜鉛は小銭や硬貨に磁気を帯びるか？

小銭は、亜鉛の磁性を調べるのにぴったりの家庭科学実験になる。

ここアメリカでは、1983年以降に製造されたペニーは、亜鉛の芯に薄い銅メッキが施されている。

また、亜鉛と銅はともに反磁性体であるため、これらの新しいペニーは磁石に引き寄せられない。

だから、1983年以降のリンカーン・セントを持って冷蔵庫のマグネットにくっつけようとしても、動かない！

さて、ボーナス実験だ...。

現代の小銭を数枚（100枚以下）溶かして中の生の亜鉛を取り出せば、先ほどのクールな液体亜鉛の物理学デモを再現できる！

溶かした亜鉛を強力なネオジム磁石の近くに注意深く注ぐと、液体金属が微妙に反発するのが見えるかもしれない。覚えておいてほしいのは、亜鉛そのものが磁気を帯びているのではない。動いている金属に誘起された電流が、外部の磁石に対抗しているだけなのだ。

亜鉛が非磁性であることは、アメリカのコインが証明している！

ちなみに、2002年以降に鋳造されたユーロの1セント硬貨も、銅でメッキされたスチールコアで構成されている。つまり、ヨーロッパの硬貨も同じ物理的性質を示すことになる。

1983年以前、アメリカのペニーは95%銅で作られていました。そのため、古い銅の多いセントは磁石に弱く引き寄せられます。

亜鉛の非磁性の現実世界での利用法

さて、実用的な応用に話を移そう。亜鉛が非磁性であることがなぜ現実の世界で重要なのか？

大きなものを2つ紹介しよう：

電磁シールド

ラジオ、テレビ、携帯電話などの機器は電磁場を発生させます。これらの電磁界は他の電子機器に干渉する可能性がある。

そこで役に立つのが非磁性亜鉛だ！導電性亜鉛の層を導入することで、敏感な電子機器を迷走電磁波からシールドします。

亜鉛は、その原子構造中の自由電子のおかげで、電磁放射線を効果的に遮断・吸収する。自由電子は信号を散乱させる。

今度、電子レンジの電源が入っているときにテレビがおかしくなったら、EM干渉のせいにしてみよう！亜鉛のような導電性金属でできたファラデー・シールドを使えば、混信を防ぐことができる。

MRIの安全性

亜鉛合金や亜鉛化合物は、医療器具から病院の建材まで、あらゆるものに使われている。

非磁性亜鉛は、強力なMRIの周囲で画像アーチファクトや障害を起こしません。そのため、MRIに安全な機器を作るのに最適です！

MRIスキャナーには1.5テスラ以上の巨大な磁石が使われている。鋼鉄製の道具は医師の手から引き抜かれてしまうだろう。一方、亜鉛合金で作られた機器は、安全上の問題や電子的な障害を引き起こさない。

そのため、医師は敏感な画像診断機器の周りで亜鉛ベースの道具を安全に使用することができます。MRI使用時の精密な外科手術に役立つ！

酸化亜鉛は、MRI検査を受ける前に塗っても安全な外用クリームの成分でもある。装置の強力な磁気コイルに引き寄せられないからだ。

亜鉛が磁場に反応しないことを利用したニッチな用途だ！

要点亜鉛が磁性を持たない理由

亜鉛は液体の金属亜鉛をはじくような奇妙な物理現象を示すが、純粋な亜鉛は古典的な意味での磁性体ではない。

亜鉛原子には不対電子がないからだ。そのため、各亜鉛原子は外場の中で整列する磁気モーメントを示さない。

鉄のような他の遷移金属は、外殻に不対電子を持っている。そのため、電子はスピンし、原子間で整列して強磁性を生み出すことができる。

しかし、亜鉛は反磁性と呼ばれる極めて弱い一時的な誘導磁性しか示さない。

だから、次に冷蔵庫にメモや写真を貼るときは、ピカピカの1円玉に手を伸ばすな！亜鉛コアは磁石に反応しません。

その代わりに、昔ながらのスチール製のペーパークリップを使う！