佐藤勝昭教官の金属面白講義（２）
なかなか面白い講義であるが、やはりパワーポイントのみでは学生さんはノートを取って理解するのがかなり困難ではないか？学生さんの質問がまた面白い。
最近の化学科の学生さんが、このような金属のまとまった講義を聞く機会は少ないのが現状である。
・ 金属とはなにか:
金属光沢を持ち、電気と熱をよく導き、固体状態では展性・延性に富む物質 (岩波・理化学辞典)
・ 元素周期表
・ さまざまな金属元素
・ 電子のエネルギー準位
・ さまざまな金属を図で説明
Ｉａ属(アルカリ金属): Li, Na, K, Rb
IIa属 (アルカリ土類): Be, Mg, Ca, Sr, Ba
3d遷移金属: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu
貴金属: Cu, Ag, Au
IIb属(亜鉛属): Zn, Cd, Hg
IIIB属(アルミニウム属): Al, Ga, In, Tl
半金属: Sn, Sb, Bi
・ 金属の機械的性質
金属は、弾性限界を超えた応力に対し永久歪みをともなって変形する。このような変形を塑性(plasticity)という。
・ 弾性変形と塑性変形の境界点を降伏点という。
・ 塑性には展性 (malleability) と延性(ductility)がある。
・ 展性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず箔に広げられる性質。
・ 延性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず引き延ばされる性質。硬度の高いものほど延性が小さい。
・ 脆性破壊(brittle fracture)：塑性変形を伴わず、割れの急速な進展によって破壊することである。劈開など。
・ 疲労破壊(fatigue)：繰り返し応力が加わって破壊がおきる現象。軟らかい（硬度の低い）金属は疲労破壊を生じない。
・ 応力-歪み曲線
金属においては、原子同士が接近していて、外殻のs電子は互いに重なり合い、各軌道は２個の電子しか収容できないので膨大な数の分子軌道を形成する。
電子は、それらの分子軌道を自由に行き来し、もとの電子軌道から離れて結晶全体に広がる。これを非局在化するという。
正の原子核と負の非局在電子の間には強い引力が働き、金属の凝集が起きる。
この状態を指して、電子の海に正の原子核が浮かんでいると表現される。
・ 遷移金属はなぜ硬い
金属結合は、原子の外殻電子のうちs,p電子が結晶全体に広がることによって全エネルギーが低下することが原因ですが、このことが通常金属(Na, Mg, Alなど)や貴金属(Cu, Ag, Au)の柔らかさをもたらします。
一方、 Fe, Tiなど遷移金属の結合にはd電子が寄与しています。
遷移金属では、![]()
原子あたりの電子数が多く、電子の海に供給する電子数が多いことが結合の強さをもたらし、高い融点と硬さをもたらしています。
原子あたりの電子数が多く、電子の海に供給する電子数が多いことが結合の強さをもたらし、高い融点と硬さをもたらしています。 ・ 金属の高い電気伝導率
電気伝導率(導電率) の式s=nem を導こう
電流密度J= 単位時間に単位面積を流れる電荷の総量=nev
速度v = 移動度m × 電界E
従って 、J=nem Eº s E→これより s=nem
金属の導電率の高さ→キャリア数nによる
・ 高い熱伝導率
熱伝導＝格子熱伝導＋電子熱伝導
電子数が多い→電子熱伝導が大きい：Wiedeman-Franzの法則k/s=LT （k=熱伝導率、 s=電気伝導率、L=ローレンツ数、T=絶対温度）
・ [注] 逆は真ならず。熱伝導がよいからといって電気伝導率が高いとは限らない。例） ダイヤモンド
第2回の問題
問：金属に応力を加えたとき弾性限界を超えるとどのような現象がおきるか。また、その現象を「結合」により説明せよ。
標準解答：弾性限界を超えた応力を加えると、破壊されずに塑性変形が起き、永久歪み(塑性歪み)が残る。
塑性には、延性と展性とがある。さらに歪みが増加するとついに破壊がおきる。
(塑性変形は、結晶格子のすべりや転位の発生によりおきるが)金属が弾性限界を超えた変形に対し破壊されないのは、原子同士の結合が結晶全体に広がった電子を媒介にした「金属結合」によっているためと考えられる。
第2回の質問
1. Q: なぜ金はさびないのか。(YT,MK)
→ A. 金の酸化物としてはAu2O3が存在しますが、生成のエンタルピーが正の値をとるので金属のままいる方が安定なのです。
２． Q: なぜ銀は酸化して黒くなるのに金はならないのですか(MS)
→ A: 4 Ag (s) +O2 (g) → 2 Ag2O の反応によるAg2Oの生成のエンタルピーはDHof =-31.1(kJ/mol)と負の値をとるのに対し2Au(s) + 3/2O2(g) = Au2O3(s) の生成エントロピーはDHof = +19,100 (cal/mol)=+4.56(kJ/mol)と正の値をとります。このようにAgの酸化物は安定なのにAuの酸化物は不安定なのです。
3. Q: 金属の電子に電界を加えたとき、(原子核の)正電荷とぶつかってどう動くのか。(E科ST)
→A. 電子が金属の正電荷から静電的に受ける力は、電子雲の負電荷に遮蔽されて弱くなっているので、あたかも自由電子のように電界で加速できるのです。
4. Q: 電子軌道の話は何度か聞いたことがあるのですが、s, p, d軌道に何個入るかというのは覚えるべきでしょうか(YD)
→A. 覚えるべきというより、方位量子数lからすぐにわかるはずです。方位量子数lがわかれば、その状態にいくつの状態が縮退しているかは2l+1によってわかります。（方位量子数lについて、磁気量子数mが、+l, +l-1, ・・・,-l+1, -lの2l+1通りの状態をとります。）s電子は、l=0、従って軌道の多重度は2×0+1=1、p電子は、l=1、従って2×1+1=3、d電子はl=2なので、2×2+1=5です。スピンまで考慮すると、これらを2倍してsは2、pは6、dは10となります。
5. Q: パソコンのノイズ対策のために使われている金属は何ですか。板状の金属が得られているのを見たことがありますが。 (SY)
→A. その金属は、おそらく、パーマロイ(Ni80Fe20)という磁性合金でしょう。パーマロイとは透磁率mの高い合金という意味です。この合金で箱を作ると磁束が中に入らないので電磁シールドとして有効です。
6. Q: パソコンのケーブルにフェライトコアを付けたりするのはノイズ対策に有効ですか(SY)
→A. フェライトは組成をコントロールすることによって高周波の損失を大きくできるのでノイズ対策に有効です。
7. Q: ジャンボ機の翼は、左右をそれぞれ上に上げてくっつけて３秒間は折れないと聞きましたが材料が特別なものですか(H)
→A: そのニュースソースは何ですか？航空機の機体の材料はアルミニウム合金です。そんな風に曲げたとき、翼そのものより胴体との溶接部分の方が折れそうですが・・・。
[授業の進め方について]
9. 授業中に扱ったOHPの出典のWeb siteをプリントに表示して欲しい.(AN)→A. 前頁の「第２回の内容」に示しました。
10. OHPで見せた資料は、なるべく早めにダウンロードできるようにしてください。(KN)→A. その日のうちにネットにアップしています。
11. スライドだと文字が小さかったりノートを取っている途中で画面が変わったりしてちょっとやりにくいです。大事なところはプリントにして欲しいです。(MY)→A. 画面を表示する時間を延ばすなど、なるべく要望に応えます。
12. 全くノートを取らないと絶対眠くなってしますので少しポイントなどを書いて欲しい。(IK)→A. 黒板とOHPをうまく組み合わせてみたいと思います。
13. ノートを取りたいと思うのですがスライドだけだとなかなかうまくノートが取れないです。(MT)
14. ホームページを見ないと、テンポが早くてノートが全く取れません。ＨＰを見て自分で大事なところを覚えろというのですか。(I)→A. 応用物理学会なんかに行くと、あの調子でOHPがどんどん出てきます。エッセンスだけをノートにする技術も大切かも。しかし、悪評さくさくなので、三回目から授業のやり方を工夫します。
15. わからない単語が多すぎて、話がわからなくなる時がある。一度説明したらそれっきりではなく、何回も説明していただけると嬉しいです。(HK)→A. 必要な資料は配布なりWeb貼り付けしますので、あとで勉強してください。
16. さまざまな物性や電子機器の原理に興味があるのですが、量子力学や電磁気学の専門知識に欠けるため、基礎的な話をもっとしていただければと思います。(M科ST)→A. この講義は、基本的にはＰ科の三年次を対象に組み立てています。Ｐ科の学生でも、量子力学や電磁気学が完全に身についているわけでないのですが、そこまで戻っていると授業が進まないのです。他学科の方は、量子力学はそんなところに役立つのだなというくらいに気軽に考えてください。
17. 物理的な見方で金属を考えたことがなかったので面白かった。新材料の研究などには必要な見地なのでこれから役に立つと思うが、物理用語をいっぱい用いられるとわからなくなってしまう。(M科KA)→A. 物理用語は、そんなものかくらいに聞き流してください。「何か良くわからないけれど、物理的に説明できるのだな」と思っていただければ、農工大の学生の潜在能力なら自分で修得できると信じています。
18. ３刺激値
金銀銅の分光反射率
金銀銅の分光反射率
遷移元素の磁性とスピンの話がよくわからない。正直、量子力学を深く勉強していないので心配です。(E科ET)→A. いきなり量子力学の授業からはいっても、電気の学生にはありがたみがわからないでしょう。この授業を聞いて、「量子力学は、原子の性質を考えるのに役立つのだな」と思って、量子力学を自習すれば、取っつきやすいのではないでしょうか。(因みに、私も工学部電気の出身ですが理学部物理の授業を聴講して独学で量子物理を勉強しました。)
19. 個人的にパソコンを持っていないと何かとつらい。(KN)→A. 総合情報メディアセンターなどで使ってください。高級なものでなければ50000円でPCは買えます。PCは就職活動にも絶対必要です。