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反磁性物質とは、磁石に引き付けられる代わりに反発する物質です。技術的に言えば、それらはすべて負の磁化率を持つ物質です。これらの物質が磁場によって反発される理由は、これらの磁場が各原子の原子核の周りを回転する電子に電流を誘導し、外部磁場とは反対方向の内部磁場を生成するためです。最終的な効果は、2 つの磁石が同じ極から接近した場合と同じで、反発です。
反磁性と常磁性
宇宙のすべての物質は電子を持っているため、すべて反磁性を発生させることができます。ただし、すべてが反磁性であるとは限りません。この事実の背後にある理由は、反磁性は非常に弱い効果であり、原子が持つ永久磁気モーメントによって容易に打ち消されるからです。したがって、正味の磁場を生成する不対電子が元素にある場合、反磁性がマスクされます。このため、物質は磁場に引き付けられ、常磁性と呼ばれます。
一方、反磁性物質の場合、これらの物質は不対電子のない電子配置を持ち、各電子の回転によって生成されるすべての磁場があるため、原子内に正味の磁気モーメントはありません (そのスピン) 互いにキャンセルします。
簡単に言えば、常磁性は一部の物質が磁石に引き付けられる理由であり、常磁性の欠如は一部の物質が磁石に引き付けられない理由です。最後に、反磁性は、後者が磁石によって反発される理由です。
興味深いことに、知られている最も反磁性の元素 (ビスマス) を含むいくつかのケースを除いて、原子の電子配置を決定することは、それが反磁性か常磁性かを知るのに十分です。
反磁性元素の電子配置
反磁性の中心にあるのは、原子の電子配置です。この意味で、ある元素が反磁性かどうかを知りたければ、その電子配置を決定して不対電子があるかどうかを調べればよいのです。もしそうなら、それは（いくつかの例外を除いて）常磁性になりますが、不対電子がない場合、それは反磁性になります.
電子配置は、量子力学の最も重要な結果の非常に単純化されたビジョンを表しており、原子内の電子がレベルとサブレベルに分布しており、これらのサブレベル内に原子軌道として知られているものがある. 各原子軌道内には、反対のスピンを持つ必要がある 2 つの電子のみが収まります。
電子配置では、各電子がどのエネルギーレベル、サブレベル、および軌道に位置するかが示されます。そのスピンは、上向きまたは下向きの矢印でも表されます。同じ軌道にある 2 つの電子は反対のスピンを持っている必要があり、対になっていると言われます。
例
窒素には 7 個の電子があるため、量子力学の規則に従って決定される電子配置は 1s 2 2s 2 2p 3です。これらの電子を軌道に分割すると、次のようになります。
この電子配置では、矢印は各電子のスピンを表します。ご覧のとおり、1s 軌道と 2s 軌道では電子が対になっています (反対のスピンが相殺される対を形成します)。ここでは、孤立した窒素原子が 3 つの不対電子を持っているため、常磁性であることがはっきりとわかります。ただし、窒素分子では、2 つの窒素原子が 3 つの電子を共有し、それぞれが 3 つの電子対を形成するため、窒素は反磁性分子になります。
反磁性元素の例
ネオン
ネオンは希ガスであり、希ガスの特徴はすべて、価電子殻がすべての s 軌道と p 軌道を完全に占有し、すべての対電子を持つ、充填殻電子配置を持っていることです。
ネオンの電子サブシェル構成は1s 2 2s 2 2p 6です。軌道では次のようになります。
ご覧のとおり、ネオン (およびすべての希ガス) は不対電子を持たないため、反磁性元素です。
マグネシウム
このアルカリ土類金属には合計 12 個の電子があるため、その電子配置は1s 2 2s 2 2p 6 3s 2です。その原子価殻は完全には満たされていませんが、反磁性金属です。
ナトリウムカチオン
金属ナトリウムは、s軌道に不対電子を持つアルカリ金属です（常磁性です）が、その電子を失ってNa +陽イオンになると、10個の電子とネオンの電子配置を持つ反磁性種になります.
塩化物陰イオン
ナトリウムで起こることと非常によく似たことが塩素で起こりますが、逆です. この場合、中性の塩素原子には 17 個の電子があり、そのうちの 1 つは不対です。しかし、このハロゲンは容易に還元され、電子を拾って 3p z軌道を満たし、アルゴンの電子配置を持つ反磁性種になります。
水、木材、およびほとんどの有機化合物
水や他の多くの無機化合物と同様に、ほとんどの有機化合物は、スピンを対にする方法で電子を化学結合で結合するため、反磁性です。このため、ほとんどの生物は反磁性体です。実際、十分に強い磁場を加えることで、カエルを浮揚させることさえできます。
超伝導体
超伝導体の最も顕著な特徴の 1 つは、電気抵抗がなく、電子が内部を自由に移動できることです。このため、外部磁場は内部電流を誘導することができ、強力な反磁性効果を生成し、磁石の上に浮かせます。
例外：ビスマス
最初に発見された反磁性体であり、周期表全体で最も反磁性体である元素が、1 つではなく 2 つではなく3 つの不対電子を持っているにもかかわらず、反磁性であり続けていることを知るのは興味深いことです。
しかし、3 つの不対電子による正味の磁気モーメントがあるにもかかわらず、なぜ反磁性と見なされるのでしょうか? これは、この場合、反磁性が常磁性を（はるかに）超えることができるため、この要素は事実上、磁場によって反発されるためです。
参考文献
Atkins, P.、Paula J. (2014) より。アトキンスの物理化学。オックスフォード、英国: オックスフォード大学出版局。
チャン、R. (2008)。物理化学。(第 1 版)。ニューヨーク州ニューヨーク市：マグロウヒル。
ポーリング、L. (2021)。量子力学入門: 化学への応用(初版)。ニューヨーク州ニューヨーク市：マグロウヒル。
固体の磁気特性 (sf) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.htmlから取得
González, JC, Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). 超伝導材料の磁化率。物理学研究ジャーナル、12 (02)、6–14。https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708
