Cuando acercamos dos imanes, sentimos una fuerza invisible que los atrae o repele. Esta manifestación macroscópica del magnetismo tiene su origen en lo infinitamente pequeño, a nivel de los electrones. Cada electrón se comporta como un pequeño imán, poseyendo lo que los físicos llaman un momento magnético. Pero, ¿cómo puede una partícula elemental, sin estructura interna, generar un campo magnético?
Esta paradoja aparente desafió a la física clásica durante décadas. La respuesta radica en una propiedad puramente cuántica: el spin. Contrariamente a lo que su nombre podría sugerir, el spin no es una rotación física del electrón sobre sí mismo. Es una propiedad intrínseca, tan fundamental como su carga eléctrica o su masa, sin equivalente clásico (ninguna imagen puede ser representativa).
Carga del electrón (e): Propiedad electromagnética, constante y responsable de las interacciones de Coulomb (fuerzas eléctricas y campos magnéticos cuando el electrón está en movimiento).
Spin (S): Momento angular intrínseco cuántico del electrón, independiente de cualquier movimiento orbital. No está vinculado a una rotación física de la partícula.
En 1922, los físicos Otto Stern (1888-1969) y Walther Gerlach (1889-1979) realizaron un experimento revolucionario. Enviaron un haz de átomos de plata a través de un gradiente de campo magnético intenso, creado por un dispositivo donde una de las piezas polares tiene un borde afilado y la otra una superficie plana. Según la física clásica, el momento magnético de estos átomos podía tener cualquier orientación en el espacio, como un vector que puede adoptar todas las orientaciones posibles. Al atravesar este campo con intensidad fuertemente variable, los átomos deberían desviarse de manera diferente según la orientación de su momento magnético, creando un rastro continuo en la pantalla detectora de arriba a abajo.
Sin embargo, la observación fue asombrosa: en lugar de una distribución continua, solo vieron dos manchas distintas y separadas, una arriba y otra abajo de la pantalla, sin nada en medio. Esta cuantización espacial revela que el momento magnético de los electrones solo puede tomar dos valores discretos, correspondientes a dos orientaciones opuestas del spin. Hablamos de spin "arriba" (↑) y spin "abajo" (↓), o más rigurosamente spin +½ y -½ (en unidades de la constante de Planck reducida \(\hbar\)). Este experimento constituye la primera evidencia directa de que las propiedades magnéticas están cuantizadas a escala atómica.
El momento magnético del electrón, denotado \(\mu_e\), es directamente proporcional a su spin. Su valor experimental es de aproximadamente \(9.284 \times 10^{-24}\) julios por tesla, una cantidad llamada magnetón de Bohr. Este pequeño valor muestra cuán débil es el efecto magnético de un solo electrón. Sin embargo, cuando miles de millones de electrones alinean sus spins en la misma dirección, como en un imán de hierro, el efecto acumulativo se vuelve macroscópico. El momento magnético de un electrón resulta de dos contribuciones distintas:
Si intentamos interpretar el spin como una rotación real del electrón sobre sí mismo, nos encontramos con un problema importante. Para generar el momento magnético observado, la superficie del electrón tendría que rotar a una velocidad mucho mayor que la de la luz, lo que violaría la teoría de la relatividad. Además, en el marco cuántico, el electrón está descrito por una función de onda que no puede considerarse una esfera clásica en rotación.
Esta paradoja fue resuelta en 1928 por Paul Dirac (1902-1984). Cuando Dirac escribió las ecuaciones del electrón respetando simultáneamente la mecánica cuántica y la relatividad, el spin emergió naturalmente en las soluciones, sin necesidad de ser añadido artificialmente, como una nota musical que surge al combinar dos armónicos.
| Partícula | Spin | Momento magnético (en magnetones) | Rol en el magnetismo |
|---|---|---|---|
| Electrón | ½ | 1.001 magnetón de Bohr | Principal responsable del magnetismo de los materiales (imanes permanentes, ferromagnetismo). Su alineación en los átomos crea propiedades magnéticas macroscópicas. |
| Protón | ½ | 2.793 magnetón nuclear | Utilizado en resonancia magnética nuclear (RMN) para analizar moléculas y en imágenes médicas (IRM) para visualizar tejidos biológicos. |
| Neutrón | ½ | -1.913 magnetón nuclear | Utilizado en dispersión de neutrones para estudiar estructuras magnéticas en materiales. Su momento magnético negativo revela su estructura compuesta (quarks). |
| Fotón | 1 | 0 | Partícula mediadora de la fuerza electromagnética. Transporta energía entre cargas y imanes, pero no posee momento magnético intrínseco. |
En la mayoría de los materiales, los electrones se aparean con spins antiparalelos (orientados en direcciones opuestas), lo que resulta en una cancelación casi total de su momento magnético global. Estas sustancias se llaman diamagnéticas, como el agua, el cobre o el oro, porque sus electrones están completamente apareados: cada electrón está asociado con otro de spin opuesto, por lo que el momento magnético global es cero en ausencia de un campo. Cuando se aplica un campo externo, no hay electrones desapareados para producir una magnetización positiva; la única respuesta posible es entonces una polarización orbital inducida muy débil y opuesta, lo que caracteriza al diamagnetismo.
Por el contrario, cuando un átomo tiene uno o más electrones no apareados, y por lo tanto spins no compensados, desarrolla una magnetización neta bajo la acción de un campo magnético externo. Esta respuesta caracteriza el paramagnetismo, observable por ejemplo en el aluminio o el platino.
En ciertos materiales, los momentos magnéticos portados por estos electrones no apareados pueden influirse mutuamente y alinearse colectivamente. El material adquiere entonces una magnetización estable incluso en ausencia de un campo externo, una manifestación del ferromagnetismo, como en el hierro, el cobalto o el níquel.
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