자석의 기원에 대해

by ProjectManhattan link:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Magnet_2.jpg

자석에는 반드시 N극과 S극이라는 2가지의 자극이 쌍으로 있습니다. 1개의 막대자석을 반으로 자르면 반이 된 2개의 자석 각각에 N극과 S극이 나타납니다. 계속 잘라 나가면 많은 작은 자석이 차례로 나타나는 것을 알 수 있습니다.

물질을 계속해서 잘라 나가면 최종적으로 원자가 됩니다. 즉 막대자석도 분리해 나가면 마지막은 원자가 되어 이 원자 한 개가 자석과 같이 행동하고 있다는 것을 상상할 수 있습니다(원자자석).

이와 같이 자석의 분할을 반복하여 원자 레벨에 도달해도 자극은 쌍으로 나타납니다(자기쌍극자). 이 궁극의 쌍을 자성(자석의 성질)의 기본단위로서 자기 모멘트라고 합니다.

Powder steel on magnet link:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Powder_steel_on_magnet.jpg

또한 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 주로 전자의 궤도운동에 의한 전류와 전자의 자전(스핀)에 의해 이 자기 모멘트가 생깁니다.

우선 전자의 궤도운동에 의한 전류에 대해 설명하면, 전류가 흐르면 자기장(자계)이 발생합니다. 전자석처럼 전류를 코일형태로 흘리면 그 중심은 어느 방향을 가진 자기장이 발생합니다. 마찬가지로 전자는 원자핵을 중심으로 한 궤도운동을 하고 있으며 이 궤도가 만들어내는 자기 모멘트를 '궤도 자기 모멘트'라고 부릅니다.

또한 전자는 스핀이라고 불리는 자전운동을 하고 이에 인해 전자 자신이 '스핀 자기 모멘트'라고 불리는 자기 모멘트를 가지고 있습니다. 하나의 전자궤도에는 자전방향이 다른 업과 다운이라고 불리는 스핀을 가진 전자가 최대로 하나씩(합계 2개)가 주회운동하고 있습니다. 고체를 형성하는 원소에는 원자 1개당 복수의 전자를 가지고 있습니다. 대부분의 경우 업과 다운의 전자가 발생시키는 자기장은 서로 상쇄되고 있어서 실제로 원자가 가지는 스핀 자기 모멘트로서 나타나는 것은 특정 방향의 남은 전자(홀전자)의 수만큼이 됩니다.

by Tebo Steele link:https://www.flickr.com/photos/181628967@N05/48131243072

1s, 2s, 2p, ...와 같은 전자궤도에 원자번호가 증가함에 따라 훈트의 법칙이라고 불리는 규칙에 따라 전자궤도는 채워지는 것으로 알려져 있습니다. 철의 고립원자의 경우 궤도에 업과 다운이 상쇄되지 않는 전자(홀전자)가 생깁니다.

철 원자같은 홀전자 원소는 강한 자기 모멘트를 갖는 물질(강한 자석이 될 가능성이 있는 물질)이 되는 소질을 가지고 있지만 실제로는 원자자석의 방향이 갖추어지지 않으면 원자의 집합체인 재료로서는 자석이 되지 않을 것입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 磁石の起源
http://www3.muroran-it.ac.jp/hydrogen/mag_intro.html