Quantum

Spin

Você já se perguntou como ímās funcionam? Como é possível que alguns materiais, como o ferro, demonstrem propriedades magnéticas enquanto outros materiais, como a madeira, parecem simplesmente ignorar o magnetismo completamente? Descobriu-se que a resposta para essa questão está em uma estranha propriedade de todas as partículas chamada spin.

Pode-se dizer há dois tipos de momento no macromundo momento "clássico", o qual os objetos adquirem se movendo numa certa direção, e momento angular, mais conhecido como rotação. Porém, objetos do micromundo tem um tipo adicional de momento - momento intrinseco angular ou spin. O spin é comumente comparado com a rotação clássica. No entanto, essa comparação não é precisa, uma vez que objetos com spin não giram, de fato, a rotação é puramente intrínseca.

O spin é tipico de partículas elementares, partículas compostas e núcleos atômicos. A unidade do spin é a constante de Planck reduzida (ħ). Partículas com um spin meio-inteiro (1/2 ħ, 3/2 ħ, 5/2 ħ, etc.) são chamadas de férmions. Partículas com um spin inteiro (1 ħ, 2 ħ, 3 ħ, etc.) são chamadas de bósons. Aprenderemos sobre essas partículas no próximo
capítulo.

Mas qual é a conexão entre spin e magnetismo? Acontece que partículas com spin se comportam como peculiares e pequenos ímãs através da geração de campos magnéticos fracos. E por isso que objetos do macromundo que são compostos por vários desses "pequenos ímas" são ímãs. Mas isso não explica por que só um punhado de materiais são ímãs, quando todos os materiais macroscópicos são compostos por esses pequenos ímãs. Como isso é possível?

O motivo é que campos magnéticos gerados por partículas individuais (na maioria elétrons, cujo campo magnético é bem mais forte do que os de prótons e nêutrons) normalmente se cancelam, o que torna a maioria dos materiais não magnéticos.

Por exemplo, se um orbital atômico está completamente cheio, os elétrons nesse orbital tem spins opostos, o que faz com que seus campos magnéticos se cancelem. Isso significa que nenhum átomo com os orbitais cheios ou quase cheios pode ser magnético. Para que um átomo seja magnético, ele deve ter seus orbitais meio-cheios, assim os campos magnéticos de elétrons individuais se reforçam.

No entanto, nem todos os materiais feitos de átomos magnéticos exibem propriedades magnéticas. Isso se deve a configuração de átomos individuais. Muitos materiais têm seus átomos organizados de forma que os campos magnéticos se cancelam. Apenas uma fracão dos materiais tem seus átomos organizados de forma a fazer com que seus campos magnéticos se reforcem mutuamente. É por isso que materiais magnéticos são tāo raros.

Nos parágrafos anteriores, as partículas foram comparadas a pequenos ímās. Mas essa comparação não é completamente precisa, porque campos magnéticos criados por partículas se comportam de forma um pouco estranha. Podemos demonstram isso num experimento simples. Digamos que temos dois eixos: x e y, que são perpendiculares um ao outro. Agora peguemos uma partícula de spin 1 apontando para o eixo x (isto é, se medíssemos seu spin na direção do eixo x, chegaríamos a 1). Mas o que acontece se tentarmos medir seu spin (campo magnético) no eixo y? Se pegássemos um ímã clássico, apontado na direção x e conduzíssemos o mesmo experimento, não encontraríamos nenhum campo magnético na direção y, claro (uma vez que o eixo x é perpendicular ao eixo y). Porém, as partículas se comportam de um jeito completamente diferente. Se medirmos o spin de uma partícula na direção y, metade das vezes chegamos num spin 1 e na outra metade chegamos num spin -1. Mesmo se tentarmos medir o spin em direções diferentes, sempre chegamos a 1 ou -1. Porém, a média dos valores que obtemos é sempre igual ao valor que esperaríamos conseguir usando um imã clássico. Podemos demonstrar essa regra em nossa partícula. A média dos valores que conseguimos (metade das vezes 1 e na outra metade -1) é igual a zero, que é o outra metade -1) é igual a zero, que é o valor ao qual chegaríamos se usássemos um ímã normal.