3. O spin e algumas correlações
3.3. A interdisciplinaridade do spin
Muitos outros conceitos podem fazer conexões com o do spin do elétron. A Física, enquanto disciplina do nível médio, pode resgatar assuntos como:
momento linear, momento angular, carga elétrica, origem do magnetismo, tópicos do eletromagnetismo e a razão giromagnética. No campo da Química de nível médio o spin do elétron pode contribuir: na melhor compreensão da evolução da teoria de Bohr, no melhor entendimento dos espectros de emissão e absorção dos átomos, na distribuição eletrônica em subníveis e no princípio da exclusão de Pauli.
Alguns temas podem ser tomados como ponto de partida e/ou fonte de inspiração para o tratamento dos conteúdos relacionados ao spin do elétron. Um deles é a história dos modelos atômicos, brevemente apresentada neste trabalho, cheia de enganos e descobertas fantásticas que fazem parte da ciência moderna. A história do efeito Zeeman, normal e anômalo. O experimento de Stern-Gerlach. Os conceitos de paramagnestismo, ferromagnetismo e diamagnetismo. A relação do Spin com metais Terras-Raras na construção de ímãs permanentes. A relação do Spin com as tecnologias de energia limpa. A “Spintrônica” que é a eletrônica baseada no spin, entre outros. Alguns desses temas já foram apresentados no presente trabalho e os restantes serão apresentados a seguir.
3.3.1. Paramagnetismo, Ferromagnestismo e Diamagnetismo.
Todas as substâncias reagem à ação de um campo magnético. O diamagnetismo e o paramagnetismo são reações consideravelmente fracas que ocorrem devido a aplicação de um campo magnético externo ao corpo, feito de determinado material. Em geral, os efeitos são tão minúsculos que apenas se tornam notáveis com o uso de equipamentos muito sensíveis, já o Ferromagnetismo é o que podemos classificar como uma reação forte à presença de um campo magnético externo.
O diamagnetismo aparece com maior facilidade, de modo geral, em materiais cujos átomos possuem as camadas eletrônicas fechadas, ou seja, com o número máximo de elétrons que ela suporta. Desse modo, não há efeito resultante combinado dos momentos de dipolo magnéticos orbital e de spin, necessários para a geração de um campo magnético forte. Nestas substâncias,
o campo magnético externo aplicado modifica o movimento dos elétrons nas órbitas, de modo que surja um momento de dipolo magnético com origem no movimento orbital dos elétrons, esse momento aponta no sentido contrário ao do campo magnético externo.
Ao introduzir o campo magnético externo o momento angular orbital do elétron sofre uma variação devido à variação do campo magnético externo, essa variação do momento angular orbital afeta o momento de dipolo magnético. Assim, os materiais diamagnéticos tendem a ser repelidos pelo agente externo (imã e/ou bobina com corrente), que produz o campo magnético externo. Este efeito é pouco perceptível, na grande maioria das circunstâncias. O diamagnetismo é uma resposta que as substâncias dão na presença de um campo magnético externo, pois as substâncias possuem, ainda que não todas, camadas eletrônicas fechadas.
Já os materiais cujos átomos possuam camadas eletrônicas abertas, ou seja, que possuam um momento de dipolo magnético permanente, devido à ação conjunta do spin do elétron com o movimento orbital, se comportam como pequenos ímãs e a reação à ação de um campo magnético externo será do tipo paramagnética. Neste caso a proporção de átomos magnéticos presentes é pequena. Estes pequenos imãs tendem a se alinhar paralelamente e no mesmo sentido do campo externo aplicado. O momento de dipolo magnético total é, na maioria dos casos, consideravelmente mais forte que o momento diamagnético das camadas eletrônicas fechadas. Portanto, embora fraca, a resposta paramagnética torna-se dominante e os materiais paramagnéticos, tendem a ser atraídos pelo agente externo (imã e/ou bobina com corrente), essa situação pode ser vista como se esses materiais fossem imãs muito fracos. É também importante ressaltar que após removido o campo externo, os momentos magnéticos resultantes dos átomos se desalinham por ação da agitação térmica e nenhuma memória do alinhamento é retida.
No ferromagnetismo o que ocorre é que a concentração de átomos com momentos magnéticos num dado material é elevada. Esses átomos interagem uns com os outros, e pode surgir um alinhamento, dos momentos magnéticos, por ação de um campo magnético externo, o fato é que essa magnetização se mantém durante muito tempo, e a substância exibirá uma resposta magnética
forte em escala macroscópica, apresentando uma magnetização muito mais intensa do que a que é observada em substâncias paramagnéticas ou diamagnéticas. Assim podemos concluir que a existência do ímãs está diretamente ligada ao spin do elétron.
3.3.2. Os ímãs de metais terras-raras.
Os ímãs são resultado dos efeitos de uma propriedade que chamamos de ferromagnetismo, essa propriedade, como já explorada, se deve à um alinhamento dos momentos de dipolo magnéticos dos átomos de um determinado material. Esse momento de dipolo magnético dos átomos se deve ao efeito combinado do momento magnético de spin e do momento magnético proveniente do movimento orbital do elétron. Apesar de bem mais forte, o ferromagnetismo também tem uma relação de dependência com a temperatura uma vez que a agitação térmica aumentada pode desalinhar os momentos magnéticos dos átomos entre si.
Alguns parâmetros são relevantes na hora de caracterizar/classificar um ímã, são eles: a magnetização residual, o campo coercitivo, e a temperatura de Curie. Com base nesses critérios vamos comparar dois tipos de ímãs, um deles tem uma liga baseada em Samário e Cobalto; e o outro baseado em neodímio. Os dois tipos de ímãs apresentam grandes vantagens sobre os ímãs de ferrite, tais como, maior intensidade do campo magnético, e por suportar maior temperatura de trabalho.
A explicação do motivo desses ímãs terem dado tão certo está na distribuição eletrônica nos subníveis e no spin do elétron. Os metais Terras-raras também conhecidos como lantanídeos comportam seus últimos elétrons no subnível 4f que comporta 14 elétrons no total, ou seja, é o subnível que mais pode ter elétrons desemparelhados portanto com grande momento magnético de spin resultante.
Os ímãs terras-raras possuem diversas aplicações tecnológicas desde simples sensores, passando por motores elétricos e geradores, até aceleradores
de partículas. Entretanto essa diversidade de aplicações exige uma mineração em larga escala que não existe devido à dificuldade de encontrar grandes reservas desses metais para a mineração. Por consequência esses metais estão constantemente no centro de conflitos internacionais como mostrado nesse trecho de uma reportagem:
“O Japão não é o único país que a China poderia dobrar limitando as entregas de terras raras. Os EUA estão na mesma situação, assim como todos os grandes países industrializados. O alerta lançado pelo Japão soou como um formidável alarme, semeando o pânico em toda parte, nas indústrias, nas bolsas, nos bancos, nos governos.” (LAPOUGE, 2010)
O momento magnético intrínseco do elétron, hoje chamado de Spin é amplamente empregado pela ciência e tecnologia, seja nas interações entre a matéria em escala atômica ou no desenvolvimento de dispositivos de alta tecnologia por exemplo para processamento e armazenamento de dados e tecnologias de energia renovável. Sendo esta última muito importante na atual conjuntura de conflitos políticos entre nações.
3.3.3. A Spintrônica.
“As Tecnologias modernas de informação utilizam o grau de liberdade de carga dos elétrons em semicondutores para o processamento das informações e o grau de liberdade de spin em materiais magnéticos para armazenar as informações. A magneto eletrônica é portanto, um novo campo em crescente desenvolvimento, onde os dois graus de liberdade, a carga e o spin dos portadores, são simultaneamente utilizados para criar novas funcionalidades. Em condições mais gerais, este novo campo é chamado de eletrônica de spin ou “Spintrônica” (eletrônica de transporte de spin) para incluir aqueles dispositivos que utilizam o spin e que podem ter ou não a necessidade de utilização de campos magnéticos e de materiais magnéticos.” (SOUTO, 2006, pag 24)