Atoomspin

Magnetische velden komen altijd door de beweging van ladingen tot stand. Ook de magnetische eigenschappen van stoffen, namelijk ferro-, para- en diamagnetisme, worden door de bewegingstoestanden van de geladen elementaire deeltjes in de atomen van het materiaal bepaald. Daarbij ontstaan magnetische effecten, die zich gedragen als kleine elementaire magneten, resp. in natuurkundig jargon als magnetische momenten, op de locatie van de afzonderlijke atomen.

Bijdragen aan de atoomspin: Elektronspin, baanmoment en kernspin

De sterkste bijdrage aan het magnetisch moment van de atomen levert deelektronspin. De elektronspin is in tegenstelling tot de baanbeweging van de elektronen rondom de atoomkern (zogenaamd baanmoment) een eigenschap van de elektronen zelf, die je je in zekere zin kunt voorstellen als het draaien van een geladen kogel om zijn eigen as, ook al kan de natuurkunde aantonen, dat deze voorstelling niet helemaal juist is.

De elektronspin is echter niet de enige elementaire magneet. Ook het zogenaamde impulsmoment, dus de beweging van de elektronen rondom de atoomkern, draagt bij aan het totale magnetisch moment van de atomen. Hierbij hangt het sterk van de soort magnetisch materiaal af, welke bijdrage het grootste is. Bij de normale ferromagnetische materialen (ijzer, kobalt, nikkel) overheerst de elektronspin.
Er bestaan echter vele verbindingen en legeringen (bijv. samarium-kobalt), die ook over een magnetisch baanmoment van de elektronen rondom de kern beschikken, dat sterk aan het magnetisme bijdraagt. Daarnaast bestaat er nog de kernspin, die echter ca. 1000 keer zwakker is dan de elektronspin. De atoomkernen kunnen hierbij zeer verschillende spins hebben, aangezien hun totale spin is samengesteld uit de spin van alle protonen en neutronen in de atoomkern. De spin van de protonen en neutronen op hun beurt wordt door de spin van de quarks gevormd, die de elementaire deeltjes zijn, waaruit de atoomkern is opgebouwd.

Onder de atoomspin dient men hier het volledige magnetisch moment van de atomen te verstaan, dat de magnetische eigenschappen van het materiaal bepaalt. Het kan worden berekend als een vectoriële som van de afzonderlijke bijdrages (elektronspin, kernspin, baanmoment) (zie afbeelding).

In ferromagnetische stoffen ontstaat een extra stablisering van uitgelijnde elektronspins door de zogenaamde uitwisselingsinteractie. Daardoor is de bijdrage van de elektronspins bij de magnetisatie erg groot en kunnen ferromagnetische stoffen eenvoudig worden gemagnetiseerd. Ze versterken de magnetische krachten in magneetvelden met een factor, die bekend staat als de "magnetische permeabiliteit" μ, die kan oplopen tot μ=150 000.