Jeder kann sich unter Magnetismus etwas vorstellen, doch welche Arten von Magnetismus unterscheiden wir und wie hängt das Ganze mit der Welt der Quanten zusammen?
Bis vor Kurzem hat man noch in ferromagnetische, paramagnetische und diamagnetische Stoffe unterschieden, die sich durch Ihre Anziehungskraft abheben.
Welcher Kategorie ein Stoff dann zuzuschreiben ist, hängt letztlich von seinem inneren Aufbau ab. Das ist der Punkt, an dem die Quantenphysik ins Spiel kommt. Ein Elektron wird durch vier sogenannte Quantenzahlen beschrieben. Eine Quantenzahl ist dabei ein Parameter, der den Zustand von einem Elektron beschreibt. Diese Elektronen befinden sich in unmittelbarer Umgebung um den Atomkern eines Atoms und halten sich in Orbitalen auf. Das Orbitalmodell geht mit der Einführung von jenen Orbitalen von der klassischen Vorstellung, Elektronen würden sich auf festen Bahnen um den Kern bewegen, weg (die Überblende in „The Big Bang Theory“ ist also eine Lüge) und erklärt den Aufbau nun mit Orbitalen als Raum mit erhöhter Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Da sich die Eigenschaften mindestens in einem Punkt unterscheiden müssen, können pro Orbital maximal zwei Elektronen mit unterschiedlichem Spin beherbergt werden. Hat ein Orbital wirklich zwei Elektronen, so heißen diese gepaart und von ihnen geht kein magnetisches Moment mehr aus. Magnetismus entsteht meist dann, wenn nicht alle Elektronen gepaart sind – das betrifft para- und ferromagnetische Stoffe. Aber: Auch bei gepaarten Elektronen kann es magnetische Effekte geben, nämlich den (schwächeren) Diamagnetismus. Man spricht dann von einem paramagnetischen Stoff, also einem Stoff mit geringer Anziehung. Wirklich ferromagnetisch, d.h. starke Anziehungskräfte, ist ein Stoff, wenn mehr als ein ungepaartes Elektron auftritt. Von diamagnetischem Verhalten spricht man, wenn der Stoff ein Magnetfeld ausbildet, dass entgegengesetzt zu dem äußeren Magnetfeld wirkt.
Wir haben nun also geklärt, wie einzelne Atome ein magnetisches Moment erhalten, aber wie lässt sich aus dieser Information auf ganze Stoffe schließen?
Bei Magneten sind die Atome in einem Gitter angeordnet und entweder unterscheiden sich die einzelnen resultierenden Spins, d.h. sie heben sich mehr oder weniger auf, oder sie verstärken sich und der Stoff wird so magnetisch(er). Heben sich dagegen alle Spins auf, ist das magnetische Gesamtmoment null und man spricht dann vom sogenannten Anti-Ferromagnetismus (also das Fehlen jeglichen magnetischen Moments auf makroskopischer Ebene).
