Magnetismo em nível de partículas
Um ímã atrai o ferro sem que nada se toque ou se mova visivelmente — e ainda assim esse fenômeno não começa com cargas em rotação, mas com uma propriedade que sequer existe na física clássica: o spin.
O que o spin realmente é
Elétrons, prótons, nêutrons e quarks possuem todos um spin — um momento angular intrínseco e quantizado. O nome é enganoso: um elétron é (até onde se sabe) puntiforme e não "gira" no sentido clássico, simplesmente não há extensão que pudesse girar. O spin é, em vez disso, uma propriedade tão fixa a uma partícula quanto sua massa ou carga — no caso do elétron, sempre exatamente ±½ (em unidades de ħ), independentemente de como se meça.
Isso foi descoberto em 1922, no experimento de Stern-Gerlach: um feixe de átomos de prata foi enviado através de um campo magnético não homogêneo. Classicamente, esperava-se uma mancha contínua, já que a orientação dos átomos deveria ser aleatória. Em vez disso, observaram-se exatamente dois pontos separados — a primeira prova direta de que o spin (e, com ele, o comportamento magnético da matéria) é quantizado e só pode assumir duas orientações em relação a um campo.
Como o spin gera um campo magnético
Como o elétron possui carga elétrica, seu spin — seu momento angular intrínseco — gera automaticamente um momento de dipolo magnético, sem que nada precise de fato se mover. A intensidade desse momento depende do chamado fator g, que no elétron não é exatamente 2, mas 2,00232 — o minúsculo desvio é uma previsão da eletrodinâmica quântica e um dos valores mais precisamente confirmados de toda a física.
Além do spin, o movimento dos elétrons ao redor do núcleo também contribui com um momento magnético (magnetismo orbital) — mas, na maioria dos átomos, a contribuição do spin é a dominante. Se um átomo como um todo exibe ou não um momento magnético para fora depende de como os momentos dos elétrons individuais se somam.
Experimento de Stern-Gerlach (esquemático): no campo não homogêneo, átomos com spin "para cima" e "para baixo" sofrem forças opostas e chegam a dois pontos fixos e separados no anteparo — não distribuídos sobre uma área, como produziria uma grandeza clássica e contínua.
Por que algumas substâncias reagem ao magnetismo e outras não
Se um átomo possui ou não um momento magnético líquido é decidido pelo princípio de exclusão de Pauli: dois elétrons no mesmo orbital precisam ter spins opostos, e seus momentos se cancelam exatamente. Átomos com camadas completamente preenchidas — todos os spins emparelhados — não exibem momento magnético para fora. Já átomos com elétrons desemparelhados possuem um momento magnético real, ainda que geralmente fraco.
Sobre essa distinção simples se apoiam os três tipos fundamentais de magnetismo:
Por que justamente o ferro é ferromagnético
Um átomo de ferro tem quatro elétrons 3d desemparelhados — pela regra de Hund, os elétrons primeiro ocupam o maior número possível de orbitais individualmente, antes de se emparelharem. Isso, por si só, explicaria apenas o paramagnetismo, que também outros metais exibem. O que realmente é especial é a interação de troca quântica entre átomos de ferro vizinhos: exatamente na distância atômica e na configuração eletrônica 3d do ferro, ela favorece energeticamente o alinhamento paralelo em vez do antiparalelo entre spins vizinhos. Abaixo da temperatura de Curie (770 °C), os átomos vizinhos se alinham espontaneamente por isso — sem nenhum campo externo.
Ainda assim, um pedaço de ferro desmagnetizado normalmente não é magnético para fora, porque se divide em muitos pequenos domínios de Weiss: dentro de cada domínio, todos os momentos estão perfeitamente alinhados em paralelo, mas a orientação muda aleatoriamente de domínio para domínio, de modo que as contribuições se cancelam em média. Um campo externo faz os domínios favoravelmente orientados crescerem às custas dos demais (as paredes de domínio se deslocam) — o material se magnetiza, e parte desse alinhamento pode permanecer como remanência mesmo após o campo ser desligado: um ímã permanente.
Sem campo externo, os domínios de Weiss orientados aleatoriamente se cancelam em média. Um campo aplicado faz os domínios favoravelmente orientados crescerem, até que o material fique macroscopicamente magnetizado.
Para que serve o magnetismo de partículas na prática
Do hospital ao disco rígido — o uso direcionado do spin e do momento magnético de partículas individuais está por trás de muitas tecnologias que, à primeira vista, nada têm a ver com física de partículas.
Nem todo magnetismo vem do spin. Elétrons em movimento ao redor do núcleo geram, adicionalmente, magnetismo orbital, e uma simples corrente numa bobina de fio gera um campo magnético sem nenhuma participação do spin — apenas pela carga em movimento (eletroímã). O magnetismo de spin e orbital explicam por que átomos individuais e materiais carregam por si mesmos um momento magnético; o eletromagnetismo clássico explica por que uma bobina percorrida por corrente consegue o mesmo efeito sem nenhum spin de partícula.