Atomarer Spin

Magnetische Felder kommen immer durch die Bewegung von Ladungen zu Stande. Auch die magnetischen Eigenschaften der Materie, nämlich Ferro-, Para- und Diamagnetismus, werden durch die Bewegungszustände der geladenen Elementarteilchen in den Atomen des Materials bestimmt. Dabei entstehen magnetische Wirkungen, die sich wie kleine Elementarmagnete, bzw. in der physikalischen Fachsprache ausgedrückt, wie magnetische Momente, am Ort der einzelnen Atome verhalten.

Beiträge zum atomaren Spin: Elektronenspin, Bahnmoment und Kernspin

Den stärksten Beitrag zum magnetischen Moment der Atome liefert der Elektronenspin. Der Elektronenspin ist im Gegensatz zur Bahnbewegung der Elektronen um den Atomkern herum (sogenanntes Bahnmoment) eine Eigenschaft der Elektronen selbst, die man sich in gewisser Weise wie die Drehung einer geladenen Kugel um die eigene Achse vorstellen kann, auch wenn die Physik zeigen kann, dass diese Vorstellung nicht ganz richtig ist.

Der Elektronenspin ist jedoch nicht der einzige Elementarmagnet. Auch der sogenannte Bahndrehimpuls, also die Bewegung der Elektronen um den Atomkern, trägt zum gesamten magnetischen Moment der Atome bei. Es hängt dabei sehr stark von der Art des magnetischen Materials ab, welcher Beitrag am größten ist. Bei den gängigen ferromagnetischen Materialien (Eisen, Kobalt, Nickel) dominiert der Elektronenspin.
Es gibt jedoch viele Verbindungen und Legierungen (z. B. Samarium-Kobalt), die auch ein magnetisches Bahnmoment der Elektronen um den Kern besitzen, welches stark zum Magnetismus beiträgt. Daneben gibt es noch den Kernspin, der jedoch etwa einen Faktor 1000 schwächer ist als der Elektronenspin. Die Atomkerne können dabei sehr unterschiedliche Spins besitzen, da ihr Gesamtspin sich aus dem Spin aller Protonen und Neutronen im Atomkern zusammensetzt. Der Spin der Protonen und Neutronen wiederum wird durch den Spin der Quarks gebildet, welche die Elementarteilchen sind, die den Atomkern aufbauen.

Unter dem Atomaren Spin ist hier das gesamte magnetische Moment der Atome zu verstehen, welches die magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmt. Es kann durch eine vektorielle Addition der einzelnen Beiträge (Elektronenspin, Kernspin, Bahnmoment) berechnet werden (siehe Abbildung).

In ferromagnetischen Stoffen kommt es zu einer zusätzlichen Stabilisierung ausgerichteter Elektronenspins durch die sogenannte Austauschwechselwirkung. Dadurch ist der Beitrag des Elektronenspins bei der Magnetisierung sehr groß und ferromagnetische Stoffe sind sehr leicht magnetisierbar. Sie verstärken die magnetischen Kräfte in Magnetfeldern um einen Faktor, der als "magnetische Permeabilität" μ bezeichnet wird und bei bis zu μ=150 000 liegen kann.