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segunda-feira, 28 de janeiro de 2019

O Giro do Elétron – Spin

O assunto ou termo “spin” do elétron surge uma vez ou outra, então resolvi publicar alguma coisa sobre esse tema que não é tão fácil de ser explicado, mas na medida do possível, eu tentarei…! No final dessa publicação eu coloquei um vídeo que pode ser muito útil
O que é spin ?
Os primeiros modelos do átomo costumava ser totalmente influenciada pela nossa imagem do sistema solar: um núcleo no centro rodeado por elétrons que orbitam o núcleo como os planetas giram em torno do sol. Mas, além dos planetas circularem em suas órbitas  (elétrons) tem outro movimento possível: eles podem girar em torno do próprio eixo, como a terra, viajando ao redor do sol dentro de um ano mas, além disso girando em torno de seu próprio eixo em 24 horas .

Usando essa analogia, o nosso planeta tem um momentum angular orbital (em torno do sol – o núcleo) e, ainda, um momentum angular de rotação (em torno de seu próprio eixo).
“O momentum angular é o produto da inércia rotacional pela velocidade angular. Quando um objeto é pequeno em relação à distancia radial (de raio) até seu eixo de rotação, como a terra girando me torno do sol, o momentum angular é definido como o produto do momentum linear pela distância radial.
O momentum angular se conserva se nenhuma força resultante atua sobre ele.
Os fótons, as unidades básicas da luz, podem não apenas girar, mas também se entrelaçar. Esse movimento de entrelaçamento é que é conhecido como "momento angular orbital”

Os elétrons são partículas que têm uma carga elétrica. Sempre que uma carga elétrica se move, é criado um campo magnético. Se você mover uma carga você vai induzir um campo magnético. Um elétron se movendo em uma órbita em torno do núcleo é basicamente um circuito pequeno de corrente elétrica e ele cria um campo magnético. O spin do elétron cria um outro campo magnético. Portanto, os átomos se comportam como pequenos ímãs. Imãs podem  interagir com outros ímãs, o que significa que os átomos podem ser influenciada por campos magnéticos externos.

O modelo de Bohr foi um modelo unidimensional que usou um número quântico para descrever a distribuição dos elétrons no átomo. A única informação importante era o tamanho da órbita, que foi descrito pelo número quântico (n). O Modelo de Schrödinger colocava o elétron em um  espaço tridimensional. Por isso, foi preciso de três coordenadas, ou três números quânticos, para descrever os orbitais em que os elétrons podem ser encontrados.
O número quântico principal (n)
número quântico angular (l)
O número quântico magnético (m)

Para distinguir entre dois elétrons em um orbital, precisamos de um quarto número quântico. Isso é chamado de número quântico spin (s), porque os elétrons se comportam como se estivessem girando no sentido horário ou anti-horário. Em breve estarei publicando detalhes do modelo atômico de Schrödinger. É importante lembrar que os números quânticos são, na verdade, uma aproximação para as complexas equações propostas por Schrödinger.

Nota: Você dever lembrar nas aulas de química que números quânticos são códigos matemáticos que permitem que cada elétron seja caracterizado pela sua quantidade de energia. Essa caracterização de cada elétron no átomo é feita por quatro números quânticos: principal, secundário, magnético e spin (como foi dito acima). Num mesmo átomo, não há dois elétrons com números quânticos iguais.


O termo “spin”, que significa “rodar ou giro” em inglês, foi adotado a partir de 1921 quando os físicos alemães Otto Stern e Walther Gerlach, através de vários experimentos, notarm que os elétrons podem apresentar um movimento próprio de rotação.
Como essa rotação pode ocorrer em dois sentidos possíveis (horário e anti-horário) os físicos passaram a adotar os valores +1/2 e -1/2 para indicar os dois movimentos prováveis dos elétrons.


O conceito de spin parte da ideia de que o elétron tem uma forma esférica. Vemos o elétron dessa maneira, simplesmente para facilitar seu estudo, mas sabemos que na realidade não se pode atribuir nenhuma forma ao elétron, pois pela física quântica, seu comportamento é ao mesmo tempo, de uma uma onda e de uma partícula, a chamada dualidade onda/partícula que impede a atribuição de qualquer conceito de forma, o que ocorre também com outras partículas.
Em qualquer átomo, a tendência dos elétrons é de se emparelharem de modo que tenhamos sempre dois deles girando em sentidos opostos (com spins contrários) de tal forma que seus efeitos se cancelem. Esses efeitos podem ser comparados aos de uma corrente elétrica que cria um campo magnético. Assim sendo, dizemos que os efeitos de um par de elétrons paralelos se cancelam.

Uma substância que possua número par de elétrons em suas órbitas e os tenha emparelhados sofre efeitos magnéticos mínimos. São as substâncias que não sofrem a atração dos ímãs (não magnéticas).

Se uma substância possui número ímpar de elétrons, o que sobra poderá girar num sentido ou outro, e seus efeitos se manifestam externamente. O sódio (Na) possui 11 elétrons (ímpar), se vaporizarmos essa substância e a lançarmos na forma de feixe num campo magnético, veremos que o feixe se divide em dois, mostrando que, aleatoriamente, existem elétrons com spins +1/2 e -1/2 nas últimas camadas de seus átomos. Lord Kelvin em 1857, observou que a presença de um campo magnético alterava sua resistência elétrica. O efeito foi denominado magneto-resistência. Esse fenômeno se deve ao modo como a corrente elétrica se propaga num condutor comum, como um fio de cobre ou alumínio.
A ação de um campo magnético externo altera a maneira como os elétrons rebatem nos átomos, de acordo com seu spin, o que tem um efeito sobre a resistência elétrica do material, isto é, elétrons com spins diferentes, rebatem de forma diferente.
Nota: Spin está associado com a maneira que os elétrons ocupam os níveis de energia no átomo.