Hi Dirk 
Den Magnetismus in Cobalt, Eisen und Nickel verursachen die sogenannten 3d-Elektronen (Elektronen in der 3d-Schale). In metallischen Verbindungen dieser Atome (3d-Übergangsmetalle, Festkörper) überlappen sich die 3d-Orbitale ganz leicht. Es entsteht so eine Bandstruktur, in der die 3d-Elektronen quasi von einem Atom zum anderen hüpfen können. Man nennt diese 3d-Elektronen auch „itinerant“. Diese 3d-Elektronen tragen nicht zur Stromleitung bei. Das machen die 4s-Elektronen, deren Orbitale sich im Festkörper so stark überlappen, dass sie sich fast völlig frei, sozusagen als „Elektronengas“ durch das Metall bewegen können.
Also, schauen wir uns die itineranten 3d-Elektronen näher an. Wie alle Elektronen besitzen auch die 3d-Elektronen eine Eigenrotation, einen sog. Spin. Mit diesem Spin ist ein magnetisches Dipolmoment verbunden (um sich selbst rotierende Elektronen stellen quasi einen Kreisstrom dar). Dieser Spin ist eine rein quantenmechanische Erscheinung und die Vorstellung als Eigenrotation des Elektrons ist nur eine geistige Vorstellungshilfe. Wir können jedoch berechnen, dass sich Elektronen nur linksherum oder rechtsherum drehen können. Entsprechend zeigt dann ihr Magnetfeld nach oben oder nach unten. Die Physiker sprechen von up- und down-Spins. Weiterhin besagt eine Grundregel der Quantenmechanik, dass sich zwei gleiche Spins nicht zu nahe kommen können. Ein up-Spin hat also zu einem anderen up-Spin immer einen gewissen Mindestabstand. Ebenso ein down-Spin zu einem down-Spin. Nahe zusammen können nur ein up-Spin und ein down-Spin kommen. (Daher sind volle Atomorbitale auch mit einem up- und einem down-Spin besetzt.) Das ist der eigentliche Grund für den Magnetismus! Die Elektronen in den 3d-Bändern können nämlich ihre Bewegungsenergie reduzieren, indem möglichst viele von ihnen gleiche Spins haben. Haben z.B. alle Elektronen einen up-Spin, können sie sich nicht mehr so frei bewegen, weil sich ja 2 up-Spins nicht zu nahe kommen dürfen. Und da jedes physikalische System seine Energie minimieren möchte, wird die Gleichausrichtung aller Elektronenspins angestrebt. Daraus resultiert ein Überschuss an up-Spins und daher kommt der Magnetismus.
Dieses Ordnungsphänomen tritt eigentlich nur bei den 3d-Elektronen auf (ein bisschen auch bei den 5f-Elektronen). Denn hier kleben die Elektronen recht stark an ihren Muttermolekülen. Die thermische Bewegungsenergie kann die magnetische Anordnung daher nur schlecht verhindern. Ganz anders ist das z.B. mit den 4s-Elektronen, die sich ja als „Elektronengas“ quasi frei durch das Metall bewegen können. Hier verhindert die thermische Bewegung jede magnetische Ordnung.
Es gibt noch eine andere Form des Magnetismus, den der Seltenen Erden. Dieser basiert auf den 4f-Elektronen, hat aber einen anderen Mechanismus als Grundlage. Dies würde hier aber, denke ich, zu weit führen …
cu Stefan.
