Magnetismus auf Teilchenebene
Ein Magnet zieht Eisen an, ohne dass sich etwas berührt oder sichtbar bewegt — und doch beginnt dieses Phänomen nicht mit rotierenden Ladungen, sondern mit einer Eigenschaft, die es in der klassischen Physik gar nicht gibt: dem Spin.
Was Spin wirklich ist
Elektronen, Protonen, Neutronen und Quarks besitzen alle einen Spin — einen quantisierten, intrinsischen Drehimpuls. Der Name ist irreführend: Ein Elektron ist (soweit bekannt) punktförmig und "rotiert" nicht im klassischen Sinn, es gibt schlicht keine Ausdehnung, die sich drehen könnte. Spin ist stattdessen eine Eigenschaft, die einem Teilchen genauso fest zugeordnet ist wie seine Masse oder Ladung — beim Elektron immer exakt ±½ (in Einheiten von ħ), unabhängig davon, wie man misst.
Entdeckt wurde das 1922 im Stern-Gerlach-Versuch: Ein Strahl von Silberatomen wurde durch ein inhomogenes Magnetfeld geschickt. Klassisch hätte man einen kontinuierlichen Fleck erwartet, weil die Ausrichtung der Atome zufällig sein sollte. Beobachtet wurden stattdessen exakt zwei getrennte Flecken — der erste direkte Beweis, dass Spin (und damit das magnetische Verhalten von Materie) gequantelt ist und nur zwei Einstellungen relativ zu einem Feld annehmen kann.
Wie Spin ein Magnetfeld erzeugt
Weil ein Elektron elektrisch geladen ist, erzeugt sein Spin — sein intrinsischer Drehimpuls — automatisch ein magnetisches Dipolmoment, ganz ohne dass sich irgendetwas tatsächlich bewegt. Die Stärke dieses Moments hängt vom sogenannten g-Faktor ab, der beim Elektron nicht genau 2, sondern 2,00232 beträgt — die winzige Abweichung ist eine Vorhersage der Quantenelektrodynamik und einer der am genauesten bestätigten Werte der gesamten Physik.
Neben dem Spin trägt auch die Bewegung der Elektronen um den Kern ein magnetisches Moment bei (Bahnmagnetismus) — bei den meisten Atomen ist der Spin-Beitrag jedoch der dominante. Ob ein Atom als Ganzes ein magnetisches Moment nach außen zeigt, hängt davon ab, wie sich die einzelnen Elektronenmomente addieren.
Stern-Gerlach-Versuch (schematisch): Im inhomogenen Feld erfahren Atome mit Spin "aufwärts" und "abwärts" entgegengesetzte Kräfte und landen an zwei fest getrennten Stellen auf dem Schirm — nicht verteilt über eine Fläche, wie es eine kontinuierliche, klassische Größe erzeugen würde.
Warum manche Stoffe magnetisch reagieren, andere nicht
Ob ein Atom ein magnetisches Nettomoment besitzt, entscheidet das Pauli-Prinzip: Zwei Elektronen im selben Orbital müssen entgegengesetzten Spin haben, ihre Momente heben sich exakt auf. Atome mit vollständig gefüllten Schalen — alle Spins gepaart — zeigen nach außen kein magnetisches Moment. Atome mit ungepaarten Elektronen dagegen besitzen ein echtes, wenn auch meist schwaches, magnetisches Moment.
Auf dieser einfachen Unterscheidung bauen die drei Grundtypen des Magnetismus auf:
Warum ausgerechnet Eisen ferromagnetisch ist
Ein Eisenatom hat vier ungepaarte 3d-Elektronen — nach der Hundschen Regel besetzen Elektronen zunächst möglichst viele Orbitale einzeln, bevor sie sich paaren. Das allein würde nur Paramagnetismus erklären, den auch andere Metalle zeigen. Das eigentlich Besondere ist die quantenmechanische Austauschwechselwirkung zwischen benachbarten Eisenatomen: Bei genau dem Atomabstand und der 3d-Elektronenkonfiguration des Eisens begünstigt sie energetisch die parallele statt der antiparallelen Ausrichtung benachbarter Spins. Unterhalb der Curie-Temperatur (770 °C) richten sich Nachbaratome deshalb spontan aus — ganz ohne äußeres Feld.
Ein Stück unmagnetisiertes Eisen ist trotzdem nach außen meist nicht magnetisch, weil es in viele kleine Weiß-Bezirke (Domänen) zerfällt: Innerhalb jeder Domäne sind alle Momente perfekt parallel ausgerichtet, aber die Ausrichtung wechselt von Domäne zu Domäne zufällig, sodass sich die Beiträge im Mittel aufheben. Ein äußeres Feld lässt günstig ausgerichtete Domänen auf Kosten der anderen wachsen (die Domänenwände verschieben sich) — das Material magnetisiert sich, und ein Teil dieser Ausrichtung kann als Remanenz auch nach Abschalten des Feldes erhalten bleiben: ein Permanentmagnet.
Ohne äußeres Feld heben sich die zufällig ausgerichteten Weiß-Bezirke im Mittel auf. Ein angelegtes Feld lässt günstig orientierte Domänen wachsen, bis das Material makroskopisch magnetisiert ist.
Wozu Teilchen-Magnetismus in der Praxis dient
Vom Krankenhaus bis zum Festplattenlaufwerk — die gezielte Nutzung von Spin und magnetischem Moment einzelner Teilchen steckt in vielen Technologien, die auf den ersten Blick nichts mit Teilchenphysik zu tun haben.
Nicht jeder Magnetismus kommt von Spin. Bewegte Elektronen um den Kern erzeugen zusätzlich Bahnmagnetismus, und ein simpler Strom in einer Drahtspule erzeugt ein Magnetfeld ganz ohne Spin-Beteiligung — allein durch bewegte Ladung (Elektromagnet). Spin- und Bahnmagnetismus erklären, warum einzelne Atome und Materialien von sich aus ein magnetisches Moment tragen; klassischer Elektromagnetismus erklärt, warum eine stromdurchflossene Spule das auch ganz ohne Teilchenspin kann.