¿Un electrón produce un campo magnético en un átomo?

Question

He estado pensando que si una carga en movimiento produce un campo magnético, entonces un electrón en movimiento alrededor del núcleo de un átomo debe producir un campo magnético. Y si produce un campo magnético, entonces toda la materia en este universo debe comportarse como un imán o tener algunas propiedades magnéticas.

Answer 1

Excepto por su momento magnético intrínseco relacionado con su espín, un electrón en un orbital atómico produce un campo magnético solo si posee un momento angular orbital, que también produce un momento magnético. Tenga en cuenta que el modelo de Mecánica Cuántica del átomo también tiene orbitales sin momento angular, a diferencia del modelo de Bohr. Por lo tanto, p. ej., el orbital de electrón más bajo del átomo de hidrógeno no tiene momento magnético ni campo magnético.

Por lo tanto, un electrón "moviéndose alrededor de un átomo" no necesariamente produce un campo magnético.

Nota: El ferromagnetismo es un fenómeno relacionado con el estado sólido que está relacionado con el espín del electrón.

Answer 2

En general, sí: el "movimiento" de los electrones dentro de los átomos (en la medida en que la mecánica cuántica te permite hablar de tal cosa, que es muy baja) está asociado con un momento dipolar magnético, lo que significa que el material tendrá cierto grado de propiedades e interacciones magnéticas. Sin embargo, en prácticamente todos los materiales, esas interacciones serán muy débiles y no se acercan en comparación al ferromagnetismo que se produce por la alineación de números macroscópicos de espines electrónicos.

OK, entonces, primero que nada: para que el movimiento electrónico dentro de un átomo contribuya a su momento dipolar magnético, el primer requisito es que el momento angular orbital total del átomo debe ser distinto de cero. Esto descarta por ejemplo al hidrógeno y helio, cuyos electrones están en estados $s$ que no tienen momento angular, y también descarta los átomos con subcubiertas llenas (es decir, los gases nobles, los metales alcalinotérreos, el extremo derecho de los metales de transición, etc.) donde, hablando en términos generales, por cada electrón que está "yendo en sentido horario" alrededor de un eje dado, hay otro que está "yendo en sentido antihorario".

Los detalles de las propiedades magnéticas de los materiales tienden a ser bastante complicados, pero en resumen, si un átomo tiene subcubiertas medio llenas, hay una posibilidad razonable de que sea paramagnético, y será atraído por campos magnéticos. Otros materiales son diamagnéticos, y son repelidos por campos magnéticos, un comportamiento que puede provenir de espines electrónicos pero también del movimiento orbital, incluso en configuraciones de cubiertas llenas, debido a la dinámica de precesión magnética.

En general, sin embargo, esas interacciones serán muy débiles, y no se comparan con los materiales ferromagnéticos, para los cuales necesitas (i) un espín electrónico total distinto de cero en cada átomo, (ii) interacciones entre vecinos cercanos que estén dispuestas de manera que sea energéticamente favorable que los átomos vecinos alineen sus espines, y (iii) que los dominios magnéticos resultantes se alineen de manera macroscópicamente significativa. (Ver por ejemplo este video para más detalles.) Para materiales paramagnéticos y diamagnéticos, nada de eso se cumple, por lo que la interacción es transitoria (no permanece si retiras el campo externo) y generalmente mucho más débil.