反はん磁性じせい

反はん磁性じせい（はんじせい、英えい: diamagnetism）とは、外部がいぶ磁場じばをかけたとき（磁石じしゃくを近ちかづけるなど）、物質ぶっしつが磁場じばの逆ぎゃく向むきに磁化じかされ（＝負まけの磁化じか率りつ）、磁場じばとその勾配こうばいの積せきに比例ひれいする力ちからが、磁石じしゃくに反発はんぱつする方向ほうこうに生しょうずる磁性じせいのことである。磁場じばをかけた場合ばあいにのみこの性質せいしつが現あらわれ、反はん磁性じせい体たいは自発じはつ磁化じかを示しめさない。反はん磁性じせいは、1778年ねんにセバールド・ユスティヌス・ブルグマンス によって発見はっけんされ、その後ご、1845年ねんにファラデーがその性質せいしつを「反はん磁性じせい」と名なづけた。

その微視的びしてき機構きこうは、原子げんし中ちゅうの電子でんしへ外部がいぶ磁場じばを与あたえると、電子でんしに外部がいぶ磁場じばを打うち消けす回転かいてん運動うんどうが励起れいきされ、逆ぎゃく向むきの磁化じかが生しょうじることによる。したがって反はん磁性じせいは全すべての物質ぶっしつが持もつ性質せいしつである。

しかしながら、反はん磁性じせいは多おおくの場合ばあい、強つよ磁性じせいや常つね磁性じせいなどのスピンや軌道きどう角かく運動うんどう量りょうに由来ゆらいするより強つよい磁性じせいに埋うずもれている。

したがって特とくに、電子でんし対たいのみで構成こうせいされた原子げんしや、閉殻原子げんしの場合ばあいには、パウリの排他はいた律りつによって電子でんしは互たがいのスピンを打うち消けし合あい、閉殻の場合ばあいはさらに軌道きどう角かく運動うんどう量りょうも相殺そうさいされるため、結果けっか、反はん磁性じせいが残のこり、全体ぜんたいで反はん磁性じせい体たいが達成たっせいされる。

なお、最もっとも強つよい反はん磁性じせいをもつ元素げんそはビスマスである。

ただし、超ちょう伝導でんどう体たいの状態じょうたいは例外れいがい的てきに強つよい反はん磁性じせいを持もつ（後述こうじゅつ）。

なお、反はん強つよし磁性じせい（英えい: antiferromagnetism）は、反はん磁性じせいとは全まったく違ちがう現象げんしょうである。

熱ねつ分解ぶんかいカーボンのシート

熱ねつ分解ぶんかいカーボンの浮上ふじょう

歴史れきし

1778年ねん、ブルグマンスがビスマスとアンチモンが磁場じばに反発はんぱつすることを発見はっけんした。

1845年ねん、ファラデーはすべての物質ぶっしつは本来ほんらい、印加いんか磁場じばに対たいして何なんらかの反はん磁性じせい的てきな反応はんのうをすると考かんがえ、「反はん磁性じせい」という用語ようごを作つくった。

1895年ねん、ジョゼフ・ラーモアは反はん磁性じせいを古典こてん的てきに説明せつめいした（ラーモア反はん磁性じせい）。

1911年ねん、ニールス・ボーアは古典こてん的てき手法しゅほうによる反はん磁性じせいの説明せつめいが不完全ふかんぜんであることを証明しょうめいした（ボーア＝ファン・リューエンの定理ていり）。

1933年ねん、マイスナーは超ちょう伝導でんどう状態じょうたいの物質ぶっしつは、非常ひじょうに強つよい反はん磁性じせいを有ゆうすることを発見はっけんした。この現象げんしょうはマイスナー効果こうかとして知しられている。

反はん磁性じせいの効果こうか

反発はんぱつ

物質ぶっしつの持もつ反はん磁性じせいによる効果こうかとして、反はん磁性じせい体たいに磁石じしゃくなどを近ちかづけたとき反発はんぱつする現象げんしょうがある。これは、弱よわい二ふたつの磁石じしゃくの同どう極きょく同士どうしを近ちかづけたときと一見いっけん似にている。しかし反はん磁性じせいを持もつ物質ぶっしつに現あらわれる反発はんぱつ力りょくは近ちかづける磁石じしゃくの極性きょくせいによらないという点てんで異ことなる。

このような違ちがいはなぜ現あらわれるのかと言いうと、反はん磁性じせいという性質せいしつが、外部がいぶ磁場じばの影響えいきょうにより、物質ぶっしつ自体じたいが周まわりの磁場じばを打うち消けす方向ほうこうの極性きょくせいの磁石じしゃくになるという性質せいしつであるからである。このようにして現あらわれた物質ぶっしつの磁力じりょくは、外部がいぶ磁場じばが存在そんざいすると言いうこと自体じたいに由来ゆらいしているため外部がいぶ磁場じばの消滅しょうめつと共ともに消滅しょうめつする。また、反はん磁性じせい体たいに強つよい磁場じばを印加いんかしても、その反はん磁性じせい体たいが（強つよ磁性じせい体たいのように）自発じはつ磁化じかを持もつことはない。

浮上ふじょう

強つよ磁場じば中ちゅうで浮上ふじょうする熱ねつ分解ぶんかいカーボン

反はん磁性じせい体たいへ下方かほうから非常ひじょうに強つよい磁場じばをかけると、その反発はんぱつ力りょくが重力じゅうりょくに打うち勝かち、磁気じき浮上ふじょうする。例たとえば実験じっけん室しつなどで15～20T程度ていどの磁場じばを発生はっせいさせ物質ぶっしつにかけると、水みずを多おおく含ふくんだりんごや卵たまご、生物せいぶつなどを浮うかせることができる。また、反はん磁性じせいの強つよい熱ねつ分解ぶんかいカーボン（英えい: Pyrolytic carbon）やビスマスなどは、磁力じりょくの強つよいネオジム磁石じしゃくを用もちいた室温しつおん実験じっけんでも十分じゅうぶん浮上ふじょうさせることができる。

モーゼ効果こうか

水みずも弱よわい反はん磁性じせい体たいであるため、水みずを入いれた容器ようきの中心ちゅうしんに強力きょうりょくな磁石じしゃくを入いれると水みずが左右さゆうへと分わかれる現象げんしょうが生しょうじる。この現象げんしょうは1993年ねんに発見はっけんされ、旧約きゅうやく聖書せいしょ『出でエジプト記き』のモーセにちなみモーゼ効果こうか (英えい: Moses Effects) とよばれている。一方いっぽう、常つね磁性じせいを持もつ液体えきたいで同様どうようの実験じっけんを行おこなうと、逆ぎゃくに容器ようきの中心ちゅうしんに液体えきたいが集あつまるという現象げんしょうを確認かくにんできる。この現象げんしょうを逆ぎゃくモーゼ効果こうか (英えい: reverse Moses effect) とよぶ。

反はん磁性じせいの強つよさ

身近みぢかな物質ぶっしつの反はん磁性じせい磁化じか率りつ

物質ぶっしつ名めい	χかいm =(Km-1)×10-5
ビスマス	-16.60
炭素たんそ （ダイヤモンド）	-2.10
炭素たんそ （グラファイト）	-1.60
銅どう	-1.00
鉛なまり	-1.80
水銀すいぎん	-2.90
銀ぎん	-2.60
水みず	-0.91

反はん磁性じせいによる力ちからは一般いっぱん的てきに小ちいさいため、本来ほんらい反はん磁性じせい体たいであるはずの物質ぶっしつが、物理ぶつりを専門せんもんとしない人ひとに非ひ磁性じせいであると誤解ごかいされている場合ばあいがある。例たとえば反はん磁性じせいの性質せいしつを示しめす代表だいひょう的てきな物質ぶっしつとして水みずや銅どう、木きなどがある。また、石油せきゆやプラスチックのような大半たいはんの有機物ゆうきぶつも反はん磁性じせいを示しめす。さらに水銀すいぎんや金きむ、ビスマスのように内うち殻から電子でんしの多おおい重おもい金属きんぞくにも反はん磁性じせいを示しめすものが少すくなくないが、これらは非ひ磁性じせいであるとみなされていることが多おおい。しかし普段ふだんは反はん磁性じせい体たいと意識いしきしないような物質ぶっしつについても、非常ひじょうに強つよい外部がいぶ磁場じばのもとではその反はん磁性じせいが強つよくあらわれる（#反はん磁性じせいの効果こうかを参照さんしょう）。なお、物質ぶっしつの反はん磁性じせいを測定そくていするとき、僅わずかな強つよ磁性じせいの不純物ふじゅんぶつを含ふくんでいただけで全まったく違ちがう結果けっかになることがある。これは、強つよ磁性じせいの効果こうかの方ほうが反はん磁性じせいよりも桁違けたちがいに大おおきいからである。

反はん磁性じせい体たいは1よりも小ちいさい比ひ透とおる磁率と、0よりも小ちいさい磁化じか率りつを有ゆうする。よって磁場じばに反発はんぱつするが、反はん磁性じせいは非常ひじょうに弱よわい性質せいしつのため、日々ひびの生活せいかつで確認かくにんすることはできない。例たとえば、水みずの磁化じか率りつはχかい_v = −9.05×10⁻⁶である。最もっとも強つよい反はん磁性じせいを有ゆうする物質ぶっしつはビスマスであり、その磁化じか率りつはχかい_v = −1.66×10⁻⁴である。また、熱ねつ分解ぶんかいグラファイト（熱ねつ分解ぶんかい黒鉛こくえん、英えい: Pyrolytic graphite）は一いち次元じげん的てきなχかい_v = −4.00×10⁻⁴という磁化じか率りつを有ゆうするという報告ほうこくがある。しかしこれらの強つよい反はん磁性じせい体たいにおいても、その磁化じか率りつは常つね磁性じせい体たいや強つよし磁性じせい体たいの磁化じか率りつに比較ひかくすると非常ひじょうに小ちいさいオーダーである。

超ちょう伝導でんどう体たいの完全かんぜん反はん磁性じせい

例外れいがい的てきに強つよい反はん磁性じせいを持もつのが超ちょう伝導でんどう体たいで（磁化じか率りつが χかい_v = −1）、その性質せいしつは完全かんぜん反はん磁性じせい（マイスナー効果こうか）と呼よばれ、磁束じそくが物質ぶっしつ内部ないぶへ侵入しんにゅうできない。したがって、外部がいぶ磁場じばを与あたえると、内部ないぶで打うち消けされ、強つよい反発はんぱつ力りょくを生しょうずる（磁石じしゃくの上うえに置おくと磁気じき浮上ふじょうする）。

超ちょう伝導でんどう体たいは第だい一種いっしゅ超ちょう伝導でんどう体たいと第だい二に種しゅ超ちょう伝導でんどう体たいに分類ぶんるいされる。

• 第だい一種いっしゅ超ちょう伝導でんどう体たいの内部ないぶには完全かんぜんに磁束じそくが侵入しんにゅうできない。
• 第だい二に種しゅ超ちょう伝導でんどう体たいは、単一たんいつ磁束じそくが侵入しんにゅうし貫通かんつうする。第だい一種いっしゅ超ちょう伝導でんどう体たいと同様どうように強力きょうりょくな磁石じしゃくの上うえに置おくと浮上ふじょうし、更さらに第だい二に種しゅ超ちょう伝導でんどう体たいのピン止とめ効果こうかによって静止せいし力りょくが生しょうじる。

反はん磁性じせいの原因げんいん

反はん磁性じせいの起源きげんを古典こてん的てきに説明せつめいすると、物質ぶっしつに磁場じばを加くわえたとき、その電磁でんじ誘導ゆうどうによって物質ぶっしつ中ちゅうの荷電かでん粒子りゅうし（実質じっしつ的てきには電子でんし）に円運動えんうんどうが誘発ゆうはつされ、一種いっしゅの永久えいきゅう電流でんりゅうが流ながれ続つづける。この電流でんりゅうは、磁場じばが弱よわくなる方向ほうこうへ磁場じばと磁場じば勾配こうばいに比例ひれいした力ちから（ローレンツ力つとむ）を生しょうじるとともに、レンツの法則ほうそくに従したがい外部がいぶの磁場じばを打うち消けす方向ほうこうに磁場じばを生うみ出だす。この円運動えんうんどうの挙動きょどうはジョゼフ・ラーモアによって1895年ねんに研究けんきゅうされ、さらにポール・ランジュバンによって定式ていしき化かされたので、これをラーモア反はん磁性じせい、もしくはランジュバンの反はん磁性じせいという。これは誰だれもまだ原子げんしがどのように構成こうせいされているかを知しらない時代じだいであったにもかかわらず、反はん磁性じせいの性質せいしつや発生はっせいする力ちからの大おおきさを良よく説明せつめいし、実験じっけんとの一致いっちはすばらしいものがあった。

この古典こてん的てきな説明せつめいは、すべての導体どうたいが実質じっしつ的てきに反はん磁性じせいを示しめすことからも推測すいそくできる。変化へんかする磁場じばに置おかれた導体どうたいには、電磁でんじ誘導ゆうどうによって自由じゆう電子でんしに円運動えんうんどうが起おこり（誘導ゆうどう電流でんりゅう）、この電流でんりゅうによって磁場じばの変化へんかとは反対はんたい向むきの誘導ゆうどう磁場じばが生しょうじるとともに、磁場じばと磁場じば勾配こうばいに比例ひれいした力ちから（ローレンツ力つとむ）を生しょうじ、導体どうたいの運動うんどうや磁場じばの変化へんかに抵抗ていこうする力ちからになる。この現象げんしょうは物質ぶっしつの反はん磁性じせいと良よく似にている。

ラーモアらの理論りろんから計算けいさんすれば、すべての物質ぶっしつは電子でんしを持もつのでその磁性じせいには多おおかれ少すくなかれ反はん磁性じせいの寄与きよがあり、ほとんどのものは磁化じか率りつにして10^-5程度ていどのオーダーしかない極きわめて小ちいさいものであることがわかる。

このように、反はん磁性じせいは古典こてん的てきな範囲はんいで説明せつめいされたかのように思おもわれていたが、ニールス・ボーアは古典こてん力学りきがくで計算けいさんすると熱ねつ平衡へいこうの状態じょうたいで磁性じせいがゼロになることを1911年ねんに見みいだした（ボーア＝ファン・リューエンの定理ていり）。このため、反はん磁性じせいの説明せつめいは量子力学りょうしりきがくに取とって代かわられたが、量子力学りょうしりきがくから厳密げんみつに導みちびかれた結果けっかはラーモアらの理論りろんと正確せいかくに一致いっちしていた。量子力学りょうしりきがくによれば、不ふ対たい電子でんしが存在そんざいしない物質ぶっしつは弱よわい反はん磁性じせいとなり、不ふ対たい電子でんしによるスピンが存在そんざいする物質ぶっしつは常つね磁性じせいや強つよ磁性じせいなどの性質せいしつが顕著けんちょになる。

なお、金属きんぞく中なかの自由じゆう電子でんしについては量子りょうし論ろん的てきな取とり扱あつかいによる定式ていしき化かがレフ・ランダウによってなされている。そのため、金属きんぞくの電子でんしによる反はん磁性じせいは、ランダウ反はん磁性じせいとよばれている。

反はん磁性じせい磁場じば配向はいこう

ベンゼン環たまきの面めんに対たいして垂直すいちょくに磁場じばをかけると、レンツの法則ほうそくによって磁場じばを打うち消けそうとベンゼン環たまきに沿そって電流でんりゅうが流ながれる。これにより、ベンゼン環たまきなどを含ふくむ有機物ゆうきぶつでは、他たの物質ぶっしつよりも大おおきな反はん磁性じせいが発生はっせいすることがある。

更さらにグラファイトのようなベンゼン環たまきの集あつまりの物体ぶったいには、磁場じばに対たいしてねじれ力りょくが働はたらく。これが反はん磁性じせい磁場じば配向はいこうである。実際じっさいには、反はん磁性じせい磁場じば配向はいこうを観測かんそくするには、強力きょうりょくな磁場じばが必要ひつようである。

関連かんれん項目こうもく

• 磁性じせい
• 常つね磁性じせい
• 強つよ磁性じせい
• 磁気じき浮上ふじょう

外部がいぶリンク

• 強つよ磁場じば超ちょう伝導でんどう材料ざいりょう研究けんきゅうセンター (東北大学とうほくだいがく金属きんぞく材料ざいりょう研究所けんきゅうじょ) → 研究けんきゅう成果せいかのページに反はん磁性じせいによる磁気じき浮上ふじょうの映像えいぞうがある。
• 磁気じき浮上ふじょう鉄道てつどうの模型もけいが反はん磁性じせいを利用りようして浮上ふじょうしている動画どうが
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