반자성(diamagnetism)과 상자성(paramagnetism)의 이해

  안녕하세요 오늘은 물질의 반자성과 상자성에 대해서 이야기를 해볼까 합니다. 반자성은 평소에 물질이 자성을 띄고 있지 않다가 외부에서 자기장이 가해지면 외부 자기장의 반대 반향으로 약하게 자화 되는 성질입니다. 상자성은 평소에 물질이 자성을 띄고 있지 않다가 외부에서 자기장이 가해지면 외부 자기장의 방향으로 약하게 자화 되는 성질입니다. 자성을 공부하려면 양자역학으로 접근해야 하지만 고전역학으로도 어느 정도 내부에서 무슨 일이 벌어지고 있는지 알 수 있습니다.

Fig 1. (a) 핵 주위를 궤도운동 하는 전자, (b)전자의 스핀

  먼저 반자성이 왜 발생하는지부터 알아보겠습니다. Fig 1의 (a)와 같이 원자의 핵 주위를 궤도운동(orbital motion)하는 전자에 의한 자기장과 Fig 1의 (b)와 같이 전자의 스핀(spin)에 의한 자기장이 주로 작용하여 원자는 자석처럼 행동합니다.

Fig 2. (a) 알짜 자기장이 0인 원자, (b) 외부 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기장을 발생 시킨 원자

  반자성을 갖는 물질의 원자의 경우 전자의 궤도운동과 스핀에 의한 자기장이 서로 정확히 상쇄되어 Fig 2의 (a)와 같이 원자에서 발생하는 알짜 자기장은 0이 됩니다. 이 상태에서 갑자기 외부자기장이 가해진다면 Fig 2의 (b)와 같이 렌츠의 법칙 (Lenz's law)에 의해 원자는 외부 자기장에 반대되는 방향으로 자기장을 형성합니다. 그래서 반자성 물질은 외부 자기장의 방향과 반대 방향으로 자화(magnetization)됩니다.

Fig 3. (a) 자성을 갖고 있는 원자의 방향이 무작위로 배열, (b) 외부 자기장에 의해 원자의 자성 방향이 한 방향으로 배열 

  상자성을 갖는 물질의 원자의 경우 전자의 궤도운동과 스핀에 의한 자기장이 서로 정확히 상쇄되지 않아 Fig 3의 (a)와 같이 원자가 N극과 S극이 있는 자석처럼 행동 할 수 있습니다. 원자가 모여 어떤 덩어리를 이룰 경우 원자의 자기장이 무작위로 배열되어 덩어리 자체는 자성을 띄지 않지만 그 덩어리를 구성하고 있는 원자는 자성을 갖고 있습니다. 이 상태에서 Fig 3의 (b)와 같이 외부 자기장이 가해진다면 원자의 자기장은 외부 자기장의 방향으로 배열되려고 합니다. 그래서 상자성 물질은 외부 자기장의 방향대로 자화 됩니다.

 

끝.