Lo spin atomico

I campi magnetici sono sempre creati dal movimento di cariche. Le proprietà magnetiche della materia, ossia il ferro-, il para- e il diamagnetismo, sono determinate anche dagli stati di moto delle particelle elementari cariche negli atomi del materiale. Ciò si traduce in effetti magnetici che si comportano come piccoli magneti elementari o, in gergo fisico, come momenti magnetici, nella posizione dei singoli atomi.

Contributi allo spin atomico: spin dell'elettrone, momento orbitale e spin nucleare

Il contributo più forte al momento magnetico degli atomi è dato dallo spin degli elettroni. A differenza del moto orbitale degli elettroni intorno al nucleo atomico (il cosiddetto momento orbitale), lo spin degli elettroni è una proprietà degli elettroni stessi, che può essere immaginata in un certo modo come la rotazione di una sfera carica intorno al proprio asse, anche se la fisica può dimostrare che questa idea non è del tutto corretta.

Tuttavia, lo spin degli elettroni non è l'unico magnete elementare. Anche il cosiddetto momento angolare orbitale, cioè il movimento degli elettroni intorno al nucleo atomico, contribuisce al momento magnetico complessivo degli atomi. Il contributo maggiore dipende in larga misura dal tipo di materiale magnetico. Nei materiali ferromagnetici comuni (ferro, cobalto, nichel) domina lo spin degli elettroni.
Tuttavia, esistono molti composti e leghe (ad esempio, samario-cobalto) che presentano anche un momento orbitale magnetico degli elettroni intorno al nucleo, che contribuisce fortemente al magnetismo. Esiste anche lo spin nucleare, che è circa un fattore 1000 più debole dello spin degli elettroni. I nuclei atomici possono avere spin molto diversi, poiché il loro spin totale è costituito dallo spin di tutti i protoni e neutroni del nucleo atomico. Lo spin dei protoni e dei neutroni è a sua volta formato dallo spin dei quark, che sono le particelle elementari che compongono il nucleo atomico.

Lo spin atomico si riferisce al momento magnetico totale degli atomi, che determina le proprietà magnetiche del materiale. Può essere calcolato mediante l'addizione vettoriale dei singoli contributi (spin elettronico, spin nucleare, momento orbitale) (vedi figura).

Nei materiali ferromagnetici, vi è un'ulteriore stabilizzazione degli spin degli elettroni allineati attraverso la cosiddetta interazione di scambio. Di conseguenza, il contributo degli spin degli elettroni alla magnetizzazione è molto elevato e i materiali ferromagnetici sono molto facili da magnetizzare. Essi amplificano le forze magnetiche nei campi magnetici di un fattore noto come "permeabilità magnetica" μ, che può arrivare fino a μ=150 000.