Magnetismus A - Z

Atomarer Spin

Unter dem atomaren Spin versteht man ein messbares magnetisches Moment von Atomen, welches sich wie ein kleiner Elementarmagnet verhält. Der Atomare Spin wird auf die Spins der Teilchen zurückgeführt, welche die Atome aufbauen. Dies sind die Elementarteilchen. Jedes Elementarteilchen besitzt einen Spin. Das Elektron beispielsweise den Elektronenspin. Die Überlagerung der Spins von allen Elementarteilchen in einem Atom verursacht den resultierenden Atomaren Spin, der die magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmt.
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.
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, das die magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmt. Es kann durch eine vektorielle Addition der einzelnen Beiträge (Elektronenspin, Kernspin, Bahnmoment) berechnet werden (siehe Abbildung).
Die Abbildung zeigt ein Atom (hier Sauerstoff), welches aus einem Atomkern, und einer Elektronenhülle besteht. Durch die Bewegungszustände dieser geladenen Bausteine entstehet ein magnetisches Feld, welches sich aus der Summe aller einzeln addierbaren magnetischen Momente der Atome zusammengesetzt (hier zur Verdeutlichung sehr groß eingezeichnet).
Die magnetischen Momente der Atome setzen sich zusammen aus den Beiträgen des Elektronenspins, des magnetischen Bahnmomentes der Elektronen (durch die Bewegung um den Atomkern) und aus dem Kernspin.
Bei den gängigen ferromagnetischen Stoffen (Eisen, Kobalt, Nickel) dominiert jedoch der Beitrag des Elektronenspins.
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.

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