LOS ORÍGENES ATÓMICOS DEL MAGNETISMO

      MATERIALES MAGNÉTICOS

     Son aquellos que tienen la capacidad de ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales o de crear campos magnéticos. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.

      El primer material magnético que el hombre observó en la naturaleza, experimentó y usó tecnológicamente, fue el mineral llamado magnetita, Fe304, un material sólido natural no metálico que puede atraer al hierro. Esta propiedad fue registrada por primera vez en la historia en escritos griegos conocidos alrededor del año 800 AC . Su significado científico y tecnológico fue apreciado y usado tiempo después.

     La magnetita fue el primer material magnético usado tecnológicamente  en el diseño de la primera brújula, instrumento de navegación y orientación fundamental para el hombre, sobre todo durante los siglos pasados

     ORÍGENES ATÓMICOS DEL MAGNETISMO

     Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales, son consecuencia de  los momentos magnéticos asociados con electrones individuales de cada átomo. Cada electrón en un átomo tiene momentos magnéticos que se originan de dos fuentes. Una está relacionada con su movimiento orbital alrededor  del núcleo; siendo una carga en movimiento, por lo tanto un electrón se puede considerar como un pequeño circuito cerrado de corriente, generando un campo magnético muy pequeño y teniendo un momento magnético a lo largo de su  eje de rotación. Al momento producido por el electrón en este caso se le conoce como  “momento dipolar magnético  orbital”. La segunda fuente de momento electrónico magnético (más fuerte) a nivel atómico es debido a una propiedad cuántica del electrón llamadas  “momento de spin”, y que hace que el electrón tenga propiedades como si girase sobre si mismo, es decir, el otro momento magnético se forma de la rotación (spin) del electrón el cual se dirige a lo largo del eje de rotación y puede estar hacia arriba ó hacia abajo, según sea la dirección del dirección de rotación del electrón. Figura N° 1

[pic 1]

Figura 1.  Los dos mecanismos a los que el electrón debe su campo magnético

 Así cada electrón contribuye al campo magnético total  del átomo con un momento magnético debido a su  movimiento orbital y otro debido al momento  magnéticos de spín. El momento magnético general de un átomo es la suma  neta de todos los momentos magnéticos de los  electrones individuales. Por la tendencia de los dipolos  magnéticos a oponerse entre ellos se reduce la  energía neta, en un átomo los momentos magnéticos  opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre  ellos. Así, en el caso de un átomo con orbitales  electrónicos o suborbitales electrónicos completa- mente  llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente entre ellos y solo los  átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético, su fuerza depende  del número de electrones impares.

     La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la  naturaleza y magnitud de los momentos atómicos magnéticos, lo que a su vez determina la  diferencia entre las propiedades magnéticas de varios materiales. Existen muchas formas de  comportamiento magnético o tipos de magnetismo: el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el  paramagnetismo; esto se debe precisamente a las propiedades magnéticas de los materiales,  por eso se ha estipulado una clasificación respectiva de estos, según su comportamiento ante un campo magnético inducido .

    En resumen:

     El átomo esta formado por electrones de carga negativa que se encuentran en  movimiento alrededor del  núcleo positivo. Los electrones, al ser cargas en movimiento, representan pequeñas corrientes elementales que dan origen a dipolos magnéticos dentro del átomo, cada uno con su correspondiente momento magnético. El primer momento denominado, momento magnético orbital [pic 2] , que trata del giro del electrón  alrededor del núcleo del átomo y el segundo denominado momento magnético de Saín [pic 3] . El   momento magnético atómico [pic 4] ,Figura N° 2, recoge las contribuciones de los momentos magnéticos orbitales y de spín de todos los electrones del átomo.

Figura N° 2. Movimiento del electrón en torno al núcleo[pic 5]

      Sin embargo, dado el carácter direccional del momento magnético, los momentos magnéticos  orbitales y Spin se suman cuando están en el mismo sentido, pero se restan cuando están en sentido contrario. Puede ocurrir  que los momentos magnéticos en un sentido y otro se equilibren perfectamente, y que la suma de todos ellos sea cero. Cuando ocurre esto los átomos son llamados diamagnéticos y no posee propiedades magnéticas significativas.  En caso contrario, cuando la suma de los momentos magnéticos de los electrones no se anula totalmente, el átomo es paramagnético

     NÚMEROS CUANTICOS

     Los números cuánticos son cuatro números que definen la energía y la localización de los electrones en los átomos. Están relacionados con los orbitales atómicos (regiones del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es máxima). Dicho de otra forma, denotan el nivel de energía al cual corresponde cada electrón. Se ha definido cuatro números cuánticos, que son:

1. Número Cuántico Principal.(n)
2. Número Cuántico Secundario.(L)
3. Número Cuántico Magnético.(m)
4. Número Cuántico de Spin.(S)

     Número Cuántico Principal (n): El número cuántico principal nos indica en que nivel se encuentra el electrón y por lo tanto también el nivel de energía. Este número cuántico toma valores enteros 1, 2, 3, 4, 5, 6, ó 7.

     Número Cuántico Secundario (L): Este número cuántico nos indica en que subnivel se encuentra el electrón. Este número cuántico toma valores desde 0 hasta (n - 1). Según el número atómico tenemos los valores para l:

n= 1 l = (n-1) = 0 = s "sharp"

n= 2 l = (n-1) = 0, 1 = p "principal"

n= 3 l = (n-1) = 0, 1, 2 = d "diffuse"

n= 4 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3 = f "fundamental"

n= 5 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4 = g

n= 6 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4, 5 = h

n= 7 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 = i

     Las letras s, p, d, f identificativas de los tipos de orbitales proceden de los nombres que recibieron los distintos grupos de líneas espectrales relacionadas con cada uno de los orbitales:

• sharp : líneas nítidas pero de poca intensidad
• principal : líneas intensas
• difuse : líneas difusas
• fundamental : líneas frecuentes en muchos espectros

     Número Cuántico Magnético (m): El número cuántico magnético nos indica las orientaciones de los orbitales magnéticos en el espacio. Los orbitales magnéticos son las regiones de la nube electrónica donde se encuentran los electrones, Figura N° 3. Este número cuántico depende de L y toma valores desde -l pasando por cero hasta +l. La fórmula para encontrar cuántos orbitales posee un subnivel es: m = 2L +1[pic 6]

Figura N° 3. Distribución del numero Cuántico Magnético

     Son posibles otros tipos de orbitales como g, h, ...pero los elementos que conocemos, en sus estado fundamental, no presentan electrones que cumplan las condiciones cuánticas necesarias para que se den estos otros tipos de orbitales.Los valores del número cuántico m hacen referencia a la orientación espacial del orbital

     Número Cuántico de Spin (s): El número cuántico de spin nos indica el sentido de rotación en el propio eje de los electrones en un orbital. Ya sea si se mueve al igual que las manecillas del reloj, o en sentido contrario, este número cuántico toma los valores de -1/2 y de +1/2.

     Utilizando los 4 números cuánticos se puede especificar dónde se encuentra un determinado electrón, y los niveles de energía del mismo. Este tema es importante en el estudio de las radiaciones, la energía de ionización, así como de la energía liberada por un átomo en una reacción.

     Al utilizar los números cuánticos debemos tomar en cuenta lo siguiente:

     El Principio de Exclusión de Pauli dice que un electrón que ha sido asignado a cierto orbital, es capaz de existir en 2 estados, que se puede explicar admitiendo que el electrón puede rotar alrededor de un eje en cierto sentido o en el sentido opuesto. Estos 2 estados se describen mediante el número cuántico ms que puede tomar 1 de los 2 valores siguientes: +1/2 y – 1/2. El Principio de exclusión de Pauli, bien especifica, En un átomo no pueden existir dos electrones con el mismo estado cuántico. Según este principio no puede haber más de dos electrones en un mismo orbital (s solo puede tomar dos valores). 

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