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© 2016 Spin Science.

目指せ!スピンマスター

棒磁石を二つに割ると、どうなるでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?磁石をいくら割ってもS極とN極を分けることはできません。S極とN極は、いつでもペアなのです。

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方位磁針を使うと、N極が北極、S極が南極を指します。このことから地球は大きな磁石になっているわけですが、その理由はなんでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?地球が帯びた磁気(地磁気)の正確な起源はまだ未解明ですが、その起源の一つとして、地球の自転が地球内部の溶けた金属を回転させることで磁場を発生させていると考えられています。

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”スピン”と同じ意味を持つ言葉はどれでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?スピンは回転、旋回、渦といった回っているものを指す単語でした。物理学者は、特に電子の自転をスピンと呼んでいます。

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磁石を割っていくと、最後は原子になるのでした。磁石の起源となる原子の中の運動とは何だったでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?磁石の起源は回転であり、それは原子の中の電子の自転でした。この自転をスピンと呼ぶのでした。

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電子の自転スピンには、とっても不思議な性質がありました。それは何でしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?普通のボールの自転は、どんな方向にも、どんな速さでも回転できます。電子はそうではなく、回転の仕方が2通りしかありません。不思議ですが、自然が電子をそう作ってしまったのです。

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電子は個性的な粒子でした。同じ場所で、同じ速さで、同じスピンの電子は存在しないのでした。このルールを何と呼んだでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?同じ電子がない、というルールは発見者のヴォルフガンク・パウリにちなんで、パウリの排他律と呼ばれています。

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電子の様に非常に小さいものの世界では、日常からかけ離れたことが起こります。それはどんなことでしたでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?電子の様に小さな世界を扱う学問を量子力学と言います。量子力学の世界では、位置や速さを測定しても、測るたびに必ず値が変わってしまう原則があります。このとき、位置と速さの値のばらつきの間にある関係のことを不確定性原理と呼ぶのでした。

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速さを持って、運動している電子には、運動エネルギーというエネルギーがあります。運動エネルギーと速さの関係はどんなものでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?運動エネルギーは、電子の重さに、速さを2回掛け算した量になります。運動の速さが速ければ速いほど、運動エネルギーは大きくなります。

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物質は、原子が集まってできています。大体何個くらいの原子で出来ているでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?物質は途方もない数の原子が集まってでいています。大体1千万京個の原子でできています。

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物質の中で、電子はエネルギーが低いほど安定になります。電子は運動エネルギーを下げようとするために、どうなるでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?不確定性原理に従うと、電子の位置のばらつきが大きければ大きいほど、速さのばらつきが小さくなるのでした。速さのばらつきが小さいということは、それだけ運動エネルギーが小さくなることになります。こうして、運動エネルギーを下げようとするために、電子は物質中で広がろうとするのでした。

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物質が磁石となるためには、スピンの向きがどうなっていないといけなかったでしょうか?

さぁ!答えはどーれだ?磁石の内部の電子スピンは、非常に小さな回転です。この回転が、磁石という身の回りのサイズで感じられるためには、電子がスピンの向きをそろえることが必要です。

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