Teoria Cuantica

Actualmente sabemos que la materia está formada por átomos. Estos tienen su estructura propia, pero para nuestros propósitos bastará con que los consideremos como núcleos cargados positivamente, alrededor de los cuales giran electrones cargados negativamente, de tal manera que los átomos como un todo son neutros en su estado natural. Los electrones al girar en sus órbitas producen un campo magnético semejante al de un imán, como sabemos por la teoría electromagnética. Así, desde el punto de vista de sus propiedades magnéticas, los materiales están formados por pequeños imanes que, si el material no manifiesta magnetización, necesariamente están orientados al azar. Cuando se somete un material a la acción de un campo magnético, pueden darse dos mecanismos.

En el primero los imanes simplemente se alinean en la dirección del campo aplicado, como las brújulas en la Tierra. Este efecto se llama paramagnetismo y este alineamiento produce una resultante en la misma dirección del campo, dando como resultado que el material se comporte como un imán que es atraído en el sentido de ese campo. En el segundo mecanismo, llamado diamagnetismo, el material también se comporta como un imán, pero que se opone al campo que lo produce, siendo repelido por éste. Aquí el campo externo obliga a los imanes atómicos a procesar en la dirección del campo, generando un momento magnético. También podemos ahora entender el efecto de la temperatura en los fenómenos magnéticos, ya que los átomos están también sujetos a movimientos térmicos que se oponen a que se alineen en una cierta dirección.

Entender el ferromagnetismo es más difícil. Estos materiales presentan porciones que tienen magnetización completa y permanente y se llaman dominios ferromagnéticos. Fue Pierre Weiss en 1907 quien se dio cuenta de que los materiales ferromagnéticos están formados por estos dominios, los cuales pueden inclusive orientarse de tal manera que el material no exhiba propiedades magnéticas (Figura 19).

Con un campo magnético externo los dominios se pueden reorientar o crecer hasta formar un imán. Como ya lo hemos mencionado, este proceso de magnetización es irreversible. Para explicar la existencia de los dominios también se puede pensar en términos de pequeños imanes, pero que están formados por los propios electrones, los cuales poseen un movimiento magnético intrínseco llamado espín. La acción conjunta de los espines dentro de un dominio obedece a la fuerza de intercambio que es de naturaleza cuántica y no tiene análogo en la física clásica.

Figura 19. Los dominios magnéticos pueden formar diferentes patrones, para minimizar la energía. Se pueden observar experimentalmente por ejemplo con un microscopio electrónico. Los dominios magnéticos se pueden mover por medio de campos externos.

El hecho de que el electrón se comporte como un pequeño imán nos lleva a suponer que todas las partículas elementales cargadas podrían tener momento magnético. De hecho así es y la teoría de las partículas elementales incluye el estudio de sus momentos magnéticos. Pero cuidado, la teoría electromagnética es una teoría macroscópica, basada en experimentos en la escala de nuestras proporciones y el reino de las partículas elementales puede deparar muchas sorpresas.

SUSTANCIAS MAGNÉTICAS Como mencionamos en el capítulo 1, las propiedades térmicas de las sustancias magnéticas fueron estudiadas por Pierre Curie, quien estableció que la susceptibilidad magnética de las sustancias paramagnéticas depende del inverso de la temperatura. En todos los ferromagnetos encontró un descenso de la magnetización hasta que la temperatura llegaba a un valor crítico, llamada temperatura de Curie (Tc), donde la magnetización se hace igual a cero (Figura 20); arriba de la temperatura de Curie, los ferromagnetos se comportan como sustancias paramagnéticas. También existen otros ordenamientos magnéticos (antiferrimagnético y ferrimagnético) cuyos modelos microscópicos serán discutidos en el siguiente capítulo.

El diamagnetismo lo explicó Paul Langevin una década después de los experimentos de Curie. El fenómeno se puede explicar usando las leyes de Maxwell. Cuando se enciende un campo magnético, aparece un campo eléctrico. Éste acelera a un electrón, produciéndose así una corriente, la cual crea una magnetización contraria al campo aplicado, según la ley de Lenz.

Esta explicación implica suponer que la ley de Lenz se cumple a escala atómica. Ya Coulomb sabía que las leyes ordinarias de electrostática y magnetoestática no podían ser válidas en la escala atómica. Con esa misma filosofía, Pierre Weiss supuso que las interacciones entre las moléculas magnéticas se podrían descubrir empíricamente, por lo que introdujo el campo molecular sin intentar describir las leyes microscópicas. Este campo molecular actuaría sobre cada molécula como un campo externo y sería proporcional a la magnetización y al tipo de material. Su modelo llevó a la ley Curie-Weiss, que obedecen practicamente todos los ferromagnetos. Esta coincidencia tan perfecta hizo difícil hacerle mejoras.

Figura 20. El campo molecular de Weiss. Un espín escogido (en círculo) en un material magnético experimenta un campo debido a los otros espines. La magnetización se hace cero en temperatura de Curie Tc .

Existía en esa época un enigma experimental: ¿por qué no es el hierro espontáneamente ferromagnético? Weiss propuso que su campo molecular tenía diferentes direcciones en algunos pedazos del sólido. Esto fue probado por Barkhausen en 1919, quien por medio de amplificadores electrónicos oyó los "clics" cuando un campo externo obliga a los dominios de Weiss a alinearse. Este es un comportamiento irreversible que explica el fenómeno de histéresis. Medidas de la razón giromagnética en ferromagnetos probaron además que éste no es magnetismo atómico o molecular, sino que sólo el espín electrónico participa de él.

Así pues, a pesar de la belleza de los argumentos de Lorentz y Langevin para aplicar la teoría electromagnética a nivel microscópico, resultó inevitable reconocer que a escala atómica había algo nuevo y diferente y que hacía falta una nueva teoría para enfrentarse a este mundo. De hecho, con el teorema de Bohr-Van Leeuwen quedó claro que la mecánica estadística clásica de las partículas cargadas no es capaz de explicar el comportamiento de ninguna de las sustancias magnéticas descritas aquí.

TEORÍA CUÁNTICA

De 1913 a 1925 se desarrolló la "vieja mecánica cuántica". Bohr cuantizó el átomo de Rutherford y se empezó a entender bien la estructura de la materia. En 1921, Compton propuso que el electrón posee un espín intrínseco (gira sobre sí mismo) y momento magnético,

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