En la ciencia, un modelo es una hipótesis de trabajo que se toma como base para profundizar en el conocimiento sobre un tema determinado. No es raro que a veces se confunda el modelo con la realidad, por lo general más compleja. La figura muestra dos modelos diferentes para representar el átomo. El de la izquierda es el modelo clásico planetario, donde los electrones recorren órbitas alrededor del núcleo como si fueran planetas alrededor del sol, lo que en realidad no es así. A la derecha aparece el modelo mecano-cuántico del átomo de Helio, donde el área sombreada representa la probabilidad de encontrar un electrón en un instante determinado, y no una ‘nube’ física real. Ambos modelos difieren en su esencia: el primero es una hipótesis; la base del desarrollo de una teoría física; el segundo el resultado de una teoría probabilística derivada de postulados matemáticos.
La evidencia experimental muestra que el núcleo atómico, formado por protones y neutrones, es 10 000 veces menor que la envoltura electrónica. Sin embargo, el electrón es mucho más pequeño que el núcleo; tanto, que resulta difícil precisar cuánto más con exactitud. El átomo más simple ─ hidrógeno, con un solo electrón ─ tiene un diámetro de unos 10-10 m (0.0000000001 metros). Una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos, lo que se expresa por la unidad seguida de 18 ceros (1018). No obstante, en las últimas décadas la tecnología moderna ha permitido fotografiar átomos, e incluso manipularlos uno a uno.
Electricidad y magnetismo atómicos
Todos los cuerpos tienen masa y extensión o volumen; también poseen electricidad y magnetismo a nivel atómico, lo que no siempre se manifiesta en lo macroscópico. Para no confundir las propiedades magnéticas y eléctricas de los átomos, resulta oportuno introducir un breve resumen de las mismas.
Electricidad. Las primeras noticias sobre la electricidad provienen de la antigua Grecia. El ámbar, una resina fósil común en Europa (élektron en griego), si se frota con piel de conejo recibe una ‘carga’ eléctrica, y es capaz de atraer pequeñas hojas secas o pedacitos de papel (Sucede igual al peinar pelo seco con un peine plástico).
A esta carga después se le llamó negativa (-), para diferenciarla del otro tipo de carga que podía aparecer (positiva, +), como la que adquiere el vidrio frotado con seda. Luego se supo que el frotamiento logra que los electrones en la superficie de los sólidos pasen de un cuerpo al otro, electrizándolos con signos contrarios; en el ámbar la piel de conejo adquiere carga positiva, y la seda carga negativa en el vidrio. También se comprobó que cargas de igual signo se repelen, mientras que las de signo contrario se atraen.
Según el modelo planetario, las propiedades eléctricas de los átomos vienen dadas porque los protones en el núcleo transportan − de alguna manera − una ‘carga’ positiva, mientras que los electrones a su alrededor la llevan negativa. Como los átomos tienen la misma cantidad de protones y electrones, desde el punto de vista eléctrico son neutros, así como los cuerpos de los que forman parte. Su electricidad se manifiesta solamente cuando los cuerpos adquieren electrones en exceso (carga negativa) o pierden parte de ellos (carga positiva), como ocurre durante el frotamiento. Los neutrones del núcleo no poseen carga eléctrica, pero son magnéticos.
El premio Nobel de química de 1908 se le otorgó a Ernest Rutherford por su modelo atómico planetario con núcleo positivo y electrones negativos. El modelo lograba explicar, con gran precisión, por qué unos colores se absorben mucho más que otros cuando la luz blanca atraviesa el hidrógeno (espectro de absorción), y también su espectro de emisión.
Magnetismo. El alemán Otto Stern recibió el premio Nobel de Física en 1943 por su contribución al conocimiento del magnetismo atómico. Su resultado más conocido proviene del experimento de Stern y Gerlach (1922), donde un haz de átomos de plata, enfocado a través de un campo magnético no homogéneo, se dividió en dos secciones, contrario a lo esperado acorde al modelo planetario.
El resultado quedó sin explicación hasta 1925, cuando S. Goudsmit y G. Uhlenbeck introdujeron el concepto de spin (giro) del electrón. Por analogía con las corrientes eléctricas macroscópicas, consideraron que una carga en rotación debería tener asociado un momento magnético el cual, de manera similar a una brújula, sólo se podría orientar en dos direcciones al interaccionar con un campo magnético externo.
Hoy día el spin se explica con más precisión mediante conceptos mecano-cuánticos; no obstante, el modelo planetario aún se utiliza bastante. Sirve de base y complementa el modelo cuántico, funciona bastante bien en la mayoría de los casos, y proporciona una visión física más simple y fácil de interpretar.
El momento magnético
Como después se comprobó muchas veces, las propiedades magnéticas y eléctricas de las partículas a nivel atómico son independientes. Electrones, protones y neutrones poseen un momento magnético, representado la letra griega μ(mú), y se comportan como imanes en miniatura.
El momento magnético de los electrones se designa por ms (momento magnético de spin) el cual, según el modelo planetario, lo causa el giro del electrón sobre sí mismo. Una contribución adicional de los electrones al magnetismo atómico proviene del momento magnético orbital mL, causado por la rotación de los electrones alrededor del núcleo (ver figura). El momento magnético atómico ma reúne las contribuciones de ms y mL de todos los electrones en el átomo. Por lo general mL es mucho menor que ms, y su contribución es despreciable. El magnetismo de los núcleos atómicos es de 1000 a 2000 veces menor que el de los electrones de su envoltura, y solo es necesario tomarlo en cuenta en casos muy específicos.
Una diferencia esencial entre magnetismo y electricidad es que no existen cargas magnéticas análogas a las eléctricas; cada partícula se comporta como un pequeño imán, con sus dos polos. Al dividir la barra en la figura, cada segmento conserva sus dos polos por más que se la divida, hasta llegar al nivel atómico.
Los electrones que forman parte de un átomo específico pueden o no comunicarle propiedades magnéticas según su cantidad y pareamiento. Esto último significa que los ms tienden a ubicarse por pares en la envoltura atómica con dirección opuesta de magnetización, de manera que su magnetismo se anula. Si todos los electrones están pareados, el magnetismo total se cancela en lo macroscópico.
Tres tipos de magnetismo
Cuando μa = 0 el átomo es diamagnético, que en lo esencial no posee propiedades magnéticas propias. Da lugar a materiales diamagnéticos. Si μa no es cero el átomo es paramagnético. No obstante, un cuerpo formado por estos átomos no presenta un magnetismo notable a nivel macroscópico, porque los μa están orientados en cualquier dirección del espacio, y además cambian de dirección continuamente a causa de la oscilación térmica microscópica típica de todos los cuerpos: la suma resultante es cero en todo momento.
Un tercer tipo de materiales, los ferromagnéticos, poseen átomos con propiedades magnéticas mucho más intensas, a tal punto los μa tienden a orientarse espontáneamente a formar dominios magnéticos de mayor tamaño. Dentro de un dominio todos los μa apuntan en la misma dirección y sentido, pero como los dominios pueden apuntar en cualquier dirección, el resultado macroscópico es también nulo. Sin embargo, estos tres tipos de materiales se comportan de manera muy diferente al interaccionar con un campo magnético externo (representado por H en la figura siguiente).
En los diamagnéticos aparecen pequeñas fuerzas F de repulsión, porque el campo externo induce en el cuerpo momentos magnéticos muy pequeños, de sentido contrario a la dirección del campo. Por su parte, en los paramagnéticos los μa se orientan en la dirección del campo externo y surgen fuerzas de atracción muy débiles, solo detectables con instrumentos muy sensibles. En los ferromagnéticos los dominios tienden a unificarse en la misma dirección, y ejercen fuerzas de atracción detectables con facilidad. Ejemplos típicos de estos últimos son los metales hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones.
Como se vio en otra ocasión, la magnetita no es un metal, sino un óxido mineral que posee magnetización espontánea (Fe3O4). Posee una estructura de dominios de tipo ferromagnético, donde el oxígeno participa como mediador o enlace de los átomos de hierro, y por esta razón se clasifica como ferrimagnético. Aunque es capaz de magnetizarse con el campo terrestre, su magnetismo es algo más débil que el de los ferromagnéticos,
Otros óxidos sintéticos también son ferrimagnéticos. La mayor diferencia con los ferromagnéticos es que éstos últimos conducen la corriente eléctrica por ser metales, mientras que los ferrimagnéticos son aislantes por ser óxidos. Esto los hace muy apropiados para construir dispositivos que funcionen en circuitos eléctricos que necesiten magnetismo y aislamiento.
Materiales ‘duros’ y ‘blandos’
Aunque no tiene nada que ver con la solidez del material, los materiales ferro y ferrimagnéticos se clasifican en ‘duros’ y ‘blandos’ según sea necesario aplicar un campo externo intenso o uno débil para cambiar la dirección de su magnetización. Los duros se usan para construir imanes artificiales, pues son capaces de retener una parte importante del magnetismo después de que se retira el campo externo; el proceso se conoce como magnetización técnica, y se utiliza un electroimán potente para magnetizar el material.
Los blandos se utilizan para fabricar transformadores, inductores y núcleos de electroimanes que serán sometidos a un régimen de campo variable, donde se desea que la magnetización cambie con facilidad, se necesite aislamiento eléctrico, o ambos.
Un electroimán consiste en un núcleo ferro o ferrimagnético blando al que se le enrolla una bobina aislada por la que pasa una corriente eléctrica. El clavo de hierro en la figura refuerza las propiedades del electroimán a causa de su magnetización propia y su estructura de dominios.
Cuando los materiales ferro y ferrimagnéticos se calientan por encima de cierta temperatura Tc, sus propiedades magnéticas desaparecen a causa de la agitación térmica, que tiende a desordenar los ma. Conocida comotemperatura de Curie en los ferromagnéticos y de Néel en los ferrimagnéticos, por encima de Tc la estructura de dominios se rompe y la magnetización desaparece. Si un imán artificial se enfría de nuevo tras alcanzar Tc, recupera la estructura de dominios de manera espontánea, pero queda totalmente desmagnetizado en lo macroscópico. Para que recupere las propiedades anteriores es necesario volver a aplicar la magnetización técnica.
Bibliografía
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University-physics-volume-1, Young H.D., Freedman R.A. & Ford A.L. (2013). Sears y Zemansky Física universitaria (13th ed.)Vol. 1 y 2, Ed. Pearson: México.Accesibles en http://www0.unsl.edu.ar/~cornette/FISICA/Fisica%20Universitaria%201%20-%20Sears%2014Ed.pdf, yhttp://www0.unsl.edu.ar/~cornette/FISICA/Fisica%20Universitaria%201%20-%20Sears%2014Ed.pdf.