Spin electrónico y Fotones

Evidencias que los electrones pueden presentar movimiento de rotación en dos sentidos distintos fueron obtenidas en el año 1921 por los físicos alemanes Otto Stern y Walther Gerlach. Ellos emplearon una serie de experimento, con la finalidad de comprobar sus evidencias.

Las experiencias consistían en el pasaje de un haz de átomos metálicos, vaporizados, por medio de un campo magnético no homogéneo. Con algunos metales no hubo desvío del haz, mientras con otros, como el sodio por ejemplo, sufrieron desvío. Ya se sabía que un haz de partículas como electrones o iones sufre desvío al pasar por un campo magnético. Sin embargo los átomos no poseen carga eléctrica. Para explicar ese fenómeno, se atribuyo a los electrones dos posibles sentidos de rotación, llamados spines.

Un átomo de sodio posee  11 electrones en los cuales  10 están emparejados en cinco orbitales. Cuando dos electrones están emparejados en un orbital, sus spines están en direcciones opuestas, existiendo así una compensación de fuerzas magnéticas. Sin embargo, el último electrón del sodio, está desemparejado en un sexto orbital, y la fuerza en el átomo por la presencia de este electrón produce el desvío del haz. El hecho de que el haz de átomos se subdivida en dos componentes muestra que en una mitad de los átomos los spines, incluso el spin del electrón desemparejado, están en una misma dirección, y en la otra mitad los spines están en la dirección opuesta. Los átomos con todos los electrones emparejados no sufren desvío.

En términos químicos, dos electrones con spines en direcciones opuestas son llamados spines anti paralelos. Las substancias que poseen uno o más electrones desemparejados son débilmente atraídas en un campo magnético. Dichas substancias son llamadas paramagnéticas. Aquellas que no poseen electrones desemparejados, no siendo, por lo tanto, atraídas en campo magnético, son llamadas diamagnéticas. La intensidad de la atracción depende, lógicamente, del número de electrones desemparejados en la substancia.

Cabe observar que el  término “rotación” no es el más correcto, pues da la idea del electrón como una partícula nomas. Sabemos que el electrón posee un comportamiento dual como partícula-onda, pero por falta de un término más apropiado para aclarar la idea del spin, continuaremos considerando como rotación el spin electrónico, pero no olvidando de que el electrón no es solamente una simple partícula.

Fotón

La luz siempre fue una gran incógnita para el hombre. En el inicio de los tiempos y hasta el siglo pasado, se suponía que la luz viajaba a una velocidad infinita y que era instantánea. Experiencias realizadas por científicos en el siglo pasado utilizando sistemas de espejos situados a grandes distancias permitieron mostrar que la luz se propagaba con una determinada velocidad finita. Empezaron entonces a hacer pesquisas para descubrir la naturaleza de la luz.

Experiencias como la de Young permitieron afirmar que la luz era una onda electromagnética, pues en dicha experiencia la luz pasaba por una fenda fina y presentaba el fenómeno de la difracción e interferencia, fenómenos que solo ocurren en las ondas. Sin embargo, en el final del siglo pasado, efectos como el fotoeléctrico mostraban un comportamiento corpuscular de la luz. Finalmente, en el inicio de este siglo, Einstein comprobó la dualidad onda-partícula da luz, llamando a la partícula luminosa de fotón.  Planck y Einstein, ambos científicos que recibieron premios Nobel, mostraron que la energía es cuantificada, y enviada en paquetes de onda cargados por los fotones, y un fotón posee la menor cantidad de energía existente. La energía de un fotón es calculada a través de la relación E=h, donde h es la constante de Planck (es la frecuencia de oscilación de la onda electromagnética).

La emisión de un fotón ocurre durante la transición de un electrón de un átomo entre dos estados energéticos distintos, pues cuando él recibe energía pasa de una capa más interna para una capa más externa del átomo, y cuando el electrón retorna para su estado original, él emite la energía correspondiente a dicha diferencia bajo la forma de un fotón. Los fotones son partículas elementales que viajan con la velocidad de la luz, y su masa existe solamente cuando se mueven a la velocidad de la luz, siendo su masa teórica de reposo igual a cero, pues, acorde a la Teoría de la Relatividad, una partícula que posee masa de reposo, cuando llega a la velocidad de la luz debería poseer una masa infinita, lo que es imposible.

La energía de un fotón es increíblemente pequeña, como podemos observar por la energía media de un fotón cuya frecuencia está adentro de la faja del espectro visible, energía que es igual a 4×10¹⁹ Joules. Sin embargo, una lámpara común de filamento incandescente de 100 W de potencia, emite cerca de 2,5×10²° fotones por segundo, lo que hace con que la cantidad de energía transmitida sea significativa.