Das ist eine sehr schwierige Frage und nur quantenmechanisch zu verstehen. Jede Art von Ferromagnetismus ist an den Elektronenspin gekoppelt. Den Spin eines Elektrons kann man sich als Eigenrotation um seine Achse vorstellen. Mit dieser Rotation ist ein Kreisstrom verbunden, der seinerseits zu einem magnetischen Dipolfeld führt. Daher sind Elektronen magnetisch. [Der Spin ist ein rein quantenmechanisches Phänomen ohne klassische Entsprechung. Daher ist die Vorstellung als Eigenrotation nur eine bildliche Erklärung, um hier sehr viel Mathematik zu sparen.] Wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird, richtet das Elektron seine Rotationsachse auf Grund seines eigenen Dipolfeldes entweder parallel oder antiparallel zum äußeren Feld aus. Daher unterscheidet man beim Spin des Elektrons zwischen „up“ und „down“. [Man kann sich hier wieder vorstellen, das Elektron rotiert links oder rechts herum.]
Der Spin des Elektrons allein macht aber noch keinen Ferromagnetismus. Letzterer kommt immer dadurch zustande, dass eine Art von Elektronenspin in einem Festkörper überwiegt. Ferromagnetismus ist daher ein sog. „Ordnungsphänomen“. Es gibt mikrospkopisch 2 Arten von Ferromagnetismus. Die eine Art wird durch 4f-Elektronen (Seltene Erden), die andere durch 3d-Elektronen (Übergangsmetalle) verursacht. Auch 5f-Elektronen (Uran) können Ferromangetismus zeigen. Der Mechnanismus dabei ist eine Mischung aus den beiden ersten und noch nicht gut erforscht.
Die 4f-Orbitale der Seltenen Erden sind nicht voll mit Elektronen besetzt. In die 4f-Orbitale passen 14 Elektronen, 2 in jedes der 7 Orbitale. Zuerst wird jedes Orbital mit einem Spin-up-Elektron besetzt, erst wenn alle Orbitale ein Elektron haben, werden die folgenden 7 Elektronen als Spin-down-Elektronen eingebaut (Hund’sche Regeln). Daher gibt es bei nicht voll besetzten 4f-Orbitalen immer ungepaarte Spin-up-Elektronen. Die Spins der ungepaarten Elektronen richten sich entlang eines äußeren Magnetfeldes aus. Das Atom wird magnetisch. Da die 4f-Orbitale sehr weit innen im Atom liegen, wird dieser magnetisierte Zustand nicht durch Elektronen anderer Atome gestört. Daher bleibt die Ausrichtung der Elektronenspins sogar erhalten, wenn das äußere Magnetfeld verschwindet (ferromagnetisch).
Bei den ferromagnetischen Übergangsmetallen (Fe, Co, Ni) wirkt ein ganz anderer Mechanismus. In ihnen überlappen sich die 3d-Orbitale im Kristallgitter ganz leicht, so dass die Elektronen von einem Atom zum anderen springen können, sie werden „itinerant“. Auf Grund des Pauli-Prinzips („In einem Atom dürfen keine 2 Elektronen im gleichen Zustand sein“) „verdrängt“ ein Elektron ein zweites mit gleicher Spinausrichtung innerhalb eines gewissen räumlichen Bereichs. Der mittlere räumliche Abstand von zwei Elektronen mit parallel ausgerichteten Spins ist daher größer als der Abstand von Elektronen mit antiparallel ausgerichteten Spins. Wegen der Coulomb-Abstoßung ist daher die potentielle Energie von parallel ausgerichteten Elektronen geringer als die von antiparallel ausgerichteten Elektronen. Für die 3d-Elektronen ist es also energetisch günstiger, ihre Spins alle in die gleiche Richtung zu einem äußeren Magentfeld zu orientieren. Das Metall wird magnetisch und bleibt sogar magnetisiert, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird (ferromagnetisch). Das funktioniert nur mit den 3d-Elektronen, weil das entstehende Band so schmal ist, dass die thermische Bewegungsenergie der Elektronen nicht jede Orientierung der Spins sofort wieder zunichte macht.
Viele Grüße
Hasenfuß