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Austauschwechselwirkung

Die Austauschwechselwirkung bzw. Austauschenergie verrät viel über den Energiebetrag innerhalb eines Atoms und spielt eine tragende Rolle bei der Beschreibung von Ferromagnetismus. Im wörtlichen Sinne handelt es sich dabei aber nicht um eine Kraft, die normalerweise durch eine Wechselwirkung übertragen wird – vielmehr beschreibt die Austauschwechselwirkung einen Effekt aus der Quantenmechanik, der jedoch ähnliche Auswirkungen hat. Weil sich die Austauschwechselwirkung innerhalb der magnetischen Ordnung mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen beschäftigt, wird sie häufig mit dem Pauli-Prinzip in Verbindung gebracht, doch geht dieses nicht zwangsläufig mit ihr einher.

Was versteht man unter Austauschwechselwirkung?

In einem physikalischen System (physikalisches Objekt, das sich in definierter Weise von seiner Umgebung abgrenzen lässt wie z.B. ein Atom) besitzen mehrere Teilchen einen quantenmechanischen Zustand.

Nach dem Pauli-Prinzip können zwei Fermionen, also Teilchen aus denen Materie besteht wie Elektronen oder Neutrinos usw., nie den gleichen Quantenzustand einnehmen. Mit der quantenmechanischen Wellenfunktion kann angegeben werden, wo sich die Teilchen wahrscheinlich aufhalten (Ortskomponente) und wie ihre magnetischen Momente, also ihre Spins, zueinanderstehen (Spinkomponente). Demnach muss die Wellenfunktion immer antisymmetrisch sein, d.h. mit symmetrischer Ortskomponente und antisymmetrischer Spinkomponente oder umgekehrt. Diese eindeutige Unterscheidbarkeit nennt man in der Physik Austauschwechselwirkung.

Wenn die Atome in einem Festkörper einen größeren Abstand zueinander einnehmen, kann auch die räumliche Verteilung der Elektronen energetisch günstiger ausfallen, weshalb es zu einer Symmetrieänderung der Ortswellenfunktion kommt. In logischer Konsequenz tauscht die Spinwellenfunktion dann von einer antisymmetrischen (antiferromagnetischen) zu einer symmetrischen (ferromagnetischen) Ausrichtung.

Austauschwechselwirkung und Ferromagnetismus

Die Austauschwechselwirkung ist für das Entstehen von Ferromagnetismus verantwortlich. Die Elektronenspins, also die Elementarmagneten, besitzen magnetische Momente, die sich durch ein äußeres Magnetfeld ausrichten. Wenn in einem Festkörper ungepaarte Elektronenspins vorhanden sind, wir das komplette Material magnetisiert, da es zu einer Parallelstellung der magnetischen Momente aller Atome kommt. Doch hier gibt es Unterschiede zwischen Paramagneten und Ferromagneten.

  • Paramagnete: Die direkte Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenspins ist kleiner als die thermische Energie der beteiligten Elektronen. Das bedeutet, dass die Elektronenspins nicht dauerhaft ausgerichtet bleiben und die Magnetisierung nach Wegnahme des äußeren Magnetfeldes verschwindet.
  • Ferromagnete: Die Austauschwechselwirkung bei Ferromagneten ist deutlich größer als die thermische Energie und so bleibt die Magnetisierung auch nach Abschalten des äußeren Magnetfeldes erhalten. Die Magnetisierung geht erst durch Erhitzen oberhalb der Curietemperatur oder heftigere Schläge verloren. Die Magnetisierung bei Ferromagneten geschieht dabei nicht zufällig. Vielmehr richten sich die Elektronenspins in speziellen Bereichen, den Weißschen Bezirken, parallel zueinander aus.