希土類金属(レアアース) 磁性のメカニズム：強力な磁力を生む不対電子の挙動

３分でわかる希土類金属(レアアース) 磁性のメカニズム：強力な磁力を生む不対電子の挙動

希土類金属は、現代のハイテクノロジーに不可欠な「最強の磁石」を生み出す源泉です。なぜ希土類元素を用いると、これほどまでに強力な磁力が得られるのか。その秘密は、第1部で解説した「内側に隠れた4f軌道」と、そこに存在する「不対電子」にあります。

基礎知識・要点解説：4f軌道の構造・遮蔽効果・ランタノイド収縮
磁性のメカニズム：強力な磁力を生む不対電子の挙動
発光のメカニズム：色純度の高い光を放つエネルギー遷移

磁石はモーターの性能を大きく左右する中核部品で、電気自動車、飛行機、ロボットなどの産業機器から携帯電話、エアコンなどの家電用品まで幅広く利用されていますが、高性能なネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石は中国が高いシェアを占めています¹⁾。

１．磁力の源泉：4f軌道内の「不対電子」
２．強力な保持力の秘密：4f遮蔽効果と結晶場
- (1)　4f軌道の遮蔽効果
- (2)　高温下での安定性
３．磁性体の種類
４．希土類永久磁石

１．磁力の源泉：4f軌道内の「不対電子」

(1)　磁性の基礎知識

磁性といえば、「鉄」を思い出す方が多いかもしれません。
実は常温で強磁性を示す元素はFe以外に、Co、Niがあります。

では、これらの元素はなぜ磁性を示すのでしょうか？
反磁性体と磁性体の違いはどこにあるのでしょうか？

電子は「スピン」（回転）という性質を持っています。
このスピンによって電子そのものが磁石としての性質を帯びています。
一般的にはスピン磁気モーメントこそが、磁性の主な源だと考えられます。

電子が回転（スピン）すると、電流の磁気作用と同じく周囲に磁場が発生します。
しかし、多くの原子では、電子対によって磁場が打ち消し合っています。

例えば、代表的な磁性体のFeと反磁性体のCuを見比べると、そのどちらも3d電子殻の収容可能電子数に達する前に4s殻に電子が入っています。
Feの場合、スピンの向きが逆符号同士の3d電子対は1組であり、残りの4個の3d電子は孤立した不対電子となって、電子の回転による磁場が発生します。ところがCuの3d軌道に不対電子がなく、逆符号同士の3d電子対が5組となって、磁場は打ち消されてしまいます（図1）。

【図1　鉄と銅のｄ軌道電子配置と磁性の関係】

図1と表1に示したように、ランタノイド元素の4f殻電子と5s、6s殻電子の間に同様な配置関係にあるため、不対電子が存在することになります。この4f不対電子は磁性を担う電子です。
この不対電子は、スピンの向きが同じで且つ孤立しているためにスピン磁気モーメントが生じ、近隣原子との交換相互作用および外殻電子によってある程度保護されていることとのバランスにより、強磁性を生み出しています。

(2)　多量の不対電子

ランタノイドは、4f軌道にペアを作らない「不対電子」を多く持つことができます。これら一つひとつが微小な磁石として機能するため、原子全体として非常に大きな「磁気モーメント（磁力のもと）」を発生させます。
表1に示したM³⁺イオン外殻の4ｆ電子数に関して、赤色表示したのは不対電子がゼロ、あるいは完全にペアを組んで安定しているため、磁力が発生しません。

(3)　「産業のビタミン」

なぜ「ビタミン」と呼ばれるのでしょうか？
少量添加するだけで劇的に特性が変わるためです。例えば、鉄（Fe）やコバルト（Co）といった遷移金属も磁性を持ちますが、希土類元素を添加することで、その磁気特性を飛躍的に向上させることができます。

【表1　希土類元素の電子配置、原子価及び半径と色。赤：非磁性】

原子番号	元素記号	原子量	原子の電子配置	M³⁺イオンの電子配置	原子価	原子半径(pm)	M³⁺半径（6配位）(pm)	M³⁺塩の水溶液の色
21	Sc	44.97	3d¹4s²	3d0	+3	163	088	無色
39	Y	88.92	4d¹5s²	4d0	+3	178	104	無色
57	La	138.92	5d¹6s²	4f0	+3	187	117	無色
58	Ce	140.13	4f¹5d¹6s²	4f1	+3, +4	183	115	無色
59	Pr	140.92	4f³6s²	4f2	+3, +4	182	113	緑
60	Nd	144.27	4f⁴6s²	4f3	+2, +3, +4	181	112	赤紫
61	Pm	147.00	4f⁵6s²	4f4	+3	180	111	淡赤
62	Sm	150.35	4f⁶6s²	4f5	+2, +3	179	110	淡黄
63	Eu	152.00	4f⁷6s²	4f6	+2, +3	198	109	無色
64	Gd	157.26	4f⁷5d¹6s²	4f7	+3	179	108	無色
65	Tb	158.93	4f⁹6s²	4f8	+3, +4	176	106	無色
66	Dy	162.51	4f¹⁰6s²	4f9	+2, +3, +4	175	105	黄
67	Ho	164.94	4f¹¹6s²	4f10	+3	174	104	淡黄
68	Er	167.27	4f¹²6s²	4f11	+3	173	103	桃色
69	Tm	168.94	4f¹³6s²	4f12	+2, +3	172	102	淡緑
70	Yb	173.04	4f¹⁴6s²	4f13	+2, +3	194	101	無色
71	Lu	174.99	4f¹⁴5d¹6s²	4f14	+3	172	100	無色

２．強力な保持力の秘密：4f遮蔽効果と結晶場

希土類磁石（ネオジム磁石など）が「最強」とされる最大の理由は、磁力の強さだけでなく、「磁化の向きにくさ（高い保磁力）」にあります。

(1)　4f軌道の遮蔽効果

4f軌道は外側の5s、5p軌道によって遮蔽されているため、外部の電磁気的な干渉を受けにくく、特定の方向に磁気の向きを固定する力が非常に強くなります。これを「大きな結晶磁気異方性」と呼びます。

(2)　高温下での安定性

重希土類であるジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）を添加するのは、この保磁力を高め、EVのモーターなどの高温環境下でも磁力が失われないようにするためです。

３．磁性体の種類

磁性体は、外部磁場に対してどのように反応するか、また内部のスピン（電子の回転に由来する微小な磁石）がどのように並ぶかによって、主に以下の5つのタイプに分類されます（表2、図2））。

【表2　磁性体の主要な分類】

分類	スピンの状態（外部磁場なし）	外部磁場への反応	代表的な物質
強磁性体	同じ方向に揃っている	強く引きつけられ、磁場を除いても磁化が残る（永久磁石）	鉄 (Fe)、コバルト (Co)、ニッケル (Ni)
常磁性体	バラバラな方向を向いている	磁場と同じ方向に弱く磁化されるが、磁場を除くと磁化が消える	アルミニウム、酸素、希土類イオンの一部
反磁性体	スピンが打ち消し合っている	磁場と逆方向に極めて弱く磁化され、磁石にわずかに反発する	銅 (Cu) 、水、金
反強磁性体	隣り合うスピンが逆向きに並ぶ	全体として磁気モーメントが打ち消され、磁性を示さない	酸化マンガン、酸化ニッケル
フェリ磁性体	逆向きのスピンが交互に並ぶが、大きさが異なる	打ち消しきれない磁気が残り、強磁性と似た性質を示す	フェライト（酸化鉄系磁性体）

【図2　物質の磁気双極子の並び方：a) 強磁性体 b）反強磁性体】

希土類（レアアース）を用いた磁石は、この分類の中で「強磁性」の性質を極限まで高めたものです。

最強の磁石の仕組み
希土類元素は4f軌道に多くの「不対電子」を持っており、これらが強力な磁気モーメントの源泉となります。
保磁力の向上
特にネオジム磁石（Nd-Fe-B）は、4f軌道の遮蔽効果により外部干渉を受けにくく、磁化の向きを固定する力（保磁力）が非常に強いのが特徴です。
添加剤としての役割
ジスプロシウム (Dy) やテルビウム (Tb) などの重希土類を添加することで、高温環境下でもこの強磁性を維持できるようになります。

４．希土類永久磁石

永久磁石は、まったくエネルギーを消費することなく安定した磁界を発生し続けることができる不思議な材料です。電化製品をはじめ、あらゆる方面に幅広く使用されています。

最強の磁石：ネオジム磁石（Nd-Fe-B）の構造

ネオジム磁石（Nd-Fe-B）: ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とする、現時点で世界最強の磁石です。小型で強力なため、スマホのバイブレーターからEVの駆動モーターまで幅広く採用されています。
「サマリウムコバルト（サマコバ）磁石」（Sm-Co）: サマリウムとコバルトを使用。ネオジム磁石より磁力はやや劣りますが、耐熱性と耐食性に優れ、宇宙航空分野や軍事技術で重宝されます。
重希土類（Dy, Tb）の重要性：ネオジム磁石に少量のジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）を添加することで、高温時の「保磁力」を劇的に向上させます。これらは第1部で触れた「希少価値の高い重希土類」の代表格です。

（日本アイアール株式会社　特許調査部　H・L）

《参考文献》