Moment magnetyczny atomu jest główną fizyczną wielkością wektorową, która charakteryzuje właściwości magnetyczne dowolnej substancji. Źródłem powstawania magnetyzmu, zgodnie z klasyczną teorią elektromagnetyczną, są mikroprądy powstające w wyniku ruchu elektronu na orbicie. Moment magnetyczny jest niezbędną właściwością wszystkich elementarnych cząstek, jąder, atomowych powłok elektronowych i molekuł bez wyjątku.
Magnetyzm, który jest nieodłączny we wszystkich cząstkach elementarnych, zgodnie z mechaniką kwantową, wynika z obecności w nich momentu mechanicznego, zwanego spinem (własny mechaniczny pęd o naturze kwantowej). Na właściwości magnetyczne jądra atomowego składają się pędy spinowe części składowych jądra - protonów i neutronów. Powłoki elektroniczne (orbity wewnątrzatomowe) również posiadają moment magnetyczny, który jest sumą momentów magnetycznych znajdujących się na nich elektronów.
Innymi słowy, momenty magnetyczne elementu elementarnegocząstki i orbitale atomowe są spowodowane wewnątrzatomowym efektem mechaniki kwantowej znanym jako moment pędu. Efekt ten jest podobny do momentu pędu obrotu wokół własnej osi centralnej. Pęd spinowy jest mierzony w stałej Plancka, fundamentalnej stałej teorii kwantowej.
Wszystkie neutrony, elektrony i protony, z których w rzeczywistości składa się atom, według Plancka mają spin równy ½. W strukturze atomu elektrony krążące wokół jądra, oprócz momentu pędu spinowego, mają również orbitalny moment pędu. Jądro, chociaż zajmuje pozycję statyczną, ma również moment pędu, który jest tworzony przez efekt spinu jądrowego.
Pole magnetyczne, które generuje atomowy moment magnetyczny, jest określone przez różne formy tego momentu pędu. Najbardziej zauważalny wkład w tworzenie pola magnetycznego ma efekt spinu. Zgodnie z zasadą Pauliego, zgodnie z którą dwa identyczne elektrony nie mogą znajdować się jednocześnie w tym samym stanie kwantowym, elektrony związane łączą się, a ich pędy spinowe przybierają diametralnie przeciwne rzuty. W tym przypadku moment magnetyczny elektronu jest zmniejszony, co zmniejsza właściwości magnetyczne całej konstrukcji. W niektórych pierwiastkach, które mają parzystą liczbę elektronów, moment ten zmniejsza się do zera, a substancje przestają mieć właściwości magnetyczne. Zatem moment magnetyczny poszczególnych cząstek elementarnych ma bezpośredni wpływ na właściwości magnetyczne całego układu jądrowo-atomowego.
Elementy ferromagnetyczne o nieparzystej liczbie elektronów zawsze będą miały niezerowy magnetyzm ze względu na niesparowany elektron. W takich pierwiastkach sąsiednie orbitale nakładają się na siebie, a wszystkie momenty spinowe niesparowanych elektronów przyjmują tę samą orientację w przestrzeni, co prowadzi do osiągnięcia najniższego stanu energetycznego. Ten proces nazywa się interakcją wymiany.
Przy takim ustawieniu momentów magnetycznych atomów ferromagnetycznych powstaje pole magnetyczne. Natomiast elementy paramagnetyczne, składające się z atomów o zdezorientowanych momentach magnetycznych, nie mają własnego pola magnetycznego. Ale jeśli zadziałasz na nie za pomocą zewnętrznego źródła magnetyzmu, wówczas momenty magnetyczne atomów wyrównają się, a te elementy również nabiorą właściwości magnetycznych.
