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Espines
Los espines en el magnetismo
En física, el momento angular de las partículas individuales se denomina «espín». Se trata de una teoría de la mecánica cuántica. Sin embargo, desde un punto de vista físico, el concepto abstracto de partículas giratorias no se corresponde exactamente con la realidad. Los espines deben entenderse más bien como una analogía de procesos con propiedades similares (como el momento angular orbital). Stephen Hawking utilizó una analogía con una flecha para explicar el momento angular intrínseco de las partículas:
"Una partícula con espín 0 es un punto: se ve igual desde todas las direcciones. En cambio, una partícula con espín 1 es como una flecha: se ve diferente desde distintas direcciones. La partícula sólo vuelve a tener el mismo aspecto tras una rotación completa (360 grados). Una partícula con espín 2 es como una flecha con una punta en cada extremo. Vuelve a tener el mismo aspecto después de media rotación (180 grados)".
El espín es uno de los supuestos fundamentales en muchas ciencias naturales, como el magnetismo y la química.
Cálculo de los espines
En 1925, los físicos Goudsmit y Uhlenbeck utilizaron por primera vez el término «espín» para explicar la división de las líneas espectrales durante un experimento. Como un espín describe el momento angular en relación con el eje del cuerpo propio de una partícula, este proceso puede visualizarse como un vector axial. De acuerdo con el teorema estadístico del espín, los fermiones tienen un número cuántico de espín semientero s y los bosones tienen un número cuántico de espín entero s. Por tanto, el espín es siempre (incluso en el magnetismo) un múltiplo entero o semientero del cuanto de acción de Planck ℏ. En consecuencia, para el cálculo de los números cuánticos de espín de diversas partículas elementales se aplica lo siguiente:
- Fermiones: Electrón, neutrino, quarks → 1/2 ℏ Partículas supersimétricas → 3/2 ℏ
- Bosones: Bosón de Higgs → 0 Fotón, gluón, bosón W, bosón Z → 1ℏ Gravitón → 2ℏ
Para determinar el valor total del espín de sistemas más grandes, como protones, neutrones, núcleos atómicos, átomos o moléculas, hay que sumar los espines de las partículas individuales.
Los espines y su importancia para la ciencia
Hoy en día, los espines desempeñan un papel importante en muchos campos de la investigación y la tecnología, desde el magnetismo hasta los exámenes médicos. Las consideraciones del momento angular orbital de la mecánica cuántica contribuyen significativamente a la explicación del momento magnético de una partícula atómica. Dependiendo del tipo de espín, una partícula contiene diferentes cantidades de energía en un campo magnético. Al existir una interacción magnética entre los espines de los electrones y los espines nucleares, se crean líneas espectrales especiales. Su comportamiento puede aprovecharse óptimamente para la resonancia de espín electrónico o la tomografía de espín nuclear (también conocidas como imágenes por resonancia magnética, o IRM para abreviar).