Discuta dois tipos de evidências experimentais para demonstrar que o elétron possui spin.

Passo 1

O enunciado pede para discutirmos duas evidências experimentais que mostram a existência do spin do elétron. O conteúdo é mecânica quântica e magnetismo atômico, pois a partir de medições em campos magnéticos percebemos que os elétrons têm momento angular intrínseco próprio, além do momento orbital. Para resolver, vamos detalhar dois experimentos clássicos: o de Stern–Gerlach e o de Einstein–de Haas.

Passo 2

No experimento de Stern–Gerlach, faz-se passar um feixe de átomos neutros (por exemplo, átomos de prata) por um campo magnético não uniforme ao longo de z. A força sobre cada átomo é
F_z = \mu_z \,\frac{\partial B_z}{\partial z}\,,
onde \mu_z é a projeção do momento magnético do elétron no eixo z. Clássicamente, esperava-se um espalhamento contínuo, pois os momentos orbitais poderiam assumir qualquer valor. O observado, porém, foram dois feixes bem separados, indicando
\mu_z = \pm \mu_B \quad\text{com}\quad \mu_B = \frac{e\hbar}{2m_e}\,,
ou seja, duas orientações discretas de momento magnético. Como os elétrons de valência no átomo de prata não têm momento orbital resultante, essa dupla deflexão só pode ser explicada por um momento angular intrínseco de módulo
S = \frac{\hbar}{2}
e g\approx2. Esse resultado é a prova direta de que o elétron carrega um spin \tfrac12.

Passo 3

No efeito Einstein–de Haas, suspende-se um cilindro ferromagnético por um fio fino e encanta-se magneticamente em torno de seu eixo. A magnetização M muda porque os spins dos elétrons giram para se alinhar com o campo. Para conservar o momento angular total, o corpo físico gira em sentido oposto, e mede-se essa rotação. A relação entre mudança de magnetização e de momento angular é
\Delta L = -\,\frac{\Delta M\,V}{\gamma} \quad\text{com}\quad \gamma = g\frac{e}{2m_e}\,.
Ao quantificar o giro e a variação de M, obtém-se g\approx2, confirmando que além do momento orbital existe um momento angular intrínseco (o spin) com as mesmas propriedades que previu a teoria quântica.

Resposta

As duas evidências são:
  1. Experimento de Stern–Gerlach, que mostra deflexão binária de átomos neutros em campo magnético não uniforme, indicando spin 1/2.
  2. Efeito Einstein–de Haas, em que a inversão de magnetização de um ferro provoca rotação mecânica do corpo, comprovando o momento angular intrínseco dos elétrons.

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