"Magnetismus" - das Geheimnis der Elektronen

"Magnetismus" das Geheimnis der Elektronen...
Kopfball vom 17. November 2002
Für Jahrtausende waren Magnetismus und Elektrizität zwei Naturerscheinungen, die
scheinbar nichts miteinander zu tun haben. Der dänische Physiker Hans Christian
Orsted (1777-1851; Erfinder des Elektromagneten) vermutete allerdings
Wechselwirkungen zwischen beiden Phänomenen. In einem Experiment zeigte er,
dass eine Kompassnadel von einem darüber oder darunter liegenden Kabel
abgelenkt wird, während ein elektrischer Strom fließt. Damit war die Idee geboren,
dass in einem Permanent-Magneten sehr viele kleine Stromkreise bestehen
müssten. Und tatsächlich: In Magneten befinden sich Teilchen, die sich wie kleinste
Stromkreise verhalten. Es sind die Elektronen. Sie bewegen sich um den Atomkern
und drehen sich dabei noch um die eigene Achse. Jedes bewegte Elektron stellt
einen kleinen elektrischen Strom dar. Somit wird jedes Elektron auch von einem
magnetischen Feld begleitet; es ist quasi ein klitzekleiner Elektromagnet. Bewegte
elektrische Ladungen verhalten sich also wie Magnete. Jedes Eisen-Atom
beispielsweise hat 26 Elektronen. Die Drehrichtung der meisten Elektronen (ihr so
genannter "Spin") ist aber paarweise entgegengesetzt: Daher kompensieren sich ihre
magnetischen Wirkungen zum größten Teil. Beim Eisen sind 22 der 26 Elektronen
paarweise angeordnet: Deren magnetische Wirkung hebt sich auf. (Es kommt quasi
ein Nordpol mit einem Südpol zusammen.) Doch die vier restlichen Elektronen des
Eisens sind ohne Partner (man nennt sie "ungepaarte Elektronen"). Sie ermöglichen
den Magnetismus beim Eisen.
Ungepaarte Elektronen kommen allerdings in vielen Stoffen vor. Sind sie deshalb
auch alle magnetisch? Im Prinzip ja: Bei den meisten Stoffen liegt aber nur eine sehr
schwache Form des Magnetismus vor: der so genannte Paramagnetismus. Der
wesentlich stärkere Magnetismus, den wir vom Eisen her kennen, ist der
Ferromagnetismus.
Es lohnt sich, noch die drei verschiedene Formen des Magnetismus näher zu
betrachten:
1. Diamagnetismus
Diamagnetismus können Sie zu Hause selbst beobachten: Nehmen Sie eine
Wasserwaage und stellen Sie sie auf den Tisch. Nun führen Sie einen sehr starken
Magneten an das eine Ende der Luftblase. Wenn er stark genug ist, können Sie
sehen, wie sich die Luftblase leicht zum Magneten hin bewegt. Nun haben Sie zwar
nicht die Luft angezogen, sondern das (diamagnetische) Wasser abgestoßen. Aber
dabei wird die Luftblase natürlich in die entgegengesetzte Richtung gedrängt. Der
Diamagnetismus ist eine Eigenschaft aller Stoffe. Diamagnetische Stoffe (wie z.B.
Silber, Gold, Kupfer, Wasser und molekularer Wasserstoff (H2)) werden von einem
Magneten abgestoßen. Der Effekt ist sehr gering und wird bei den meisten Stoffen
z.B. vom Para- oder Ferromagnetismus überlagert. Diamagnetismus kann immer
dann wirksam werden, wenn alle Elektronenbahnen komplett mit Elektronen
aufgefüllt sind - es also keine "ungepaarten Elektronen" gibt. Ansonsten wird er von
anderen Effekten überlagert; d.h. der Stoff wird dann in einem Magnetfeld nicht
abgestoßen, sondern angezogen (s.u.).
2. Paramagnetismus
Paramagnetische Stoffe (wie z.B. Platin, Aluminium oder molekularer Sauerstoff
(O2)) werden von einem Magneten angezogen. Auch der Paramagnetismus ist in
seiner Wirkung sehr schwach. Die meisten Stoffe sind paramagnetisch.
Paramagnetismus ist eine Folge von nicht vollständig besetzten äußeren
Elektronenschalen. In solchen Fällen kompensieren sich die magnetischen
Wirkungen der Elektronen nicht mehr, so dass diese Stoffe schwache magnetische
Effekte zeigen.
3. Ferromagnetismus
Ferromagnetismus ist etwa 100 Millionen Mal stärker als Paramagnetismus. Wo sind
aber die Unterschiede zwischen beiden zu suchen?
Ursache des Paramagnetismus ist im allgemeinen nur ein einzelnes Elektron der
äußeren Elektronenschale. Bei ferromagnetischen Stoffen finden wir aber zusätzlich
noch weitere unaufgefüllte mittlere Elektronenschalen. Es ist jedoch nicht so, dass
alle Metalle mit unaufgefüllten Schalen ferromagnetisch sind: Der Ferromagnetismus
ist aber (im Gegensatz zum Paramagnetismus) keine Eigenschaft der einzelnen
Atome, sondern eine Eigenschaft der Kristallstruktur! Einzelne Eisenatome oder
Eisensalzlösungen sind also paramagnetisch. Erst ein Eisenstück kann überhaupt
ferromagnetisch sein!
Man hat festgestellt, dass eine wichtige Bedingung für das Auftreten von
Ferromagnetismus ein gewisser (nämlich größerer) Abstand der einzelnen Atome
zueinander ist: Dabei können die Elektronen dann leichter auf andere Niveaus
verschoben werden, so dass eine permanente Spinordnung (also die Drehrichtung
der Elektronen) als Vorstufe der Magnetisierung möglich ist. Bei Eisen, Kobalt und
Nickel (den drei ferromagnetischen Elementen) sind diese Verhältnisse gegeben.
Axel Bach