Quais são as duas propriedades fundamentais, que ocorrem a nível atômico e subatômico, e que dão origem ao magnetismo?

Passo 1

O enunciado pergunta, de forma direta: quais são as duas propriedades fundamentais, que ocorrem a nível atômico e subatômico, e que dão origem ao magnetismo?
Informações relevantes fornecidas (implícitas no enunciado):
  • Procura-se duas propriedades fundamentais (não macroscópicas) responsáveis pelo magnetismo.
  • Essas propriedades ocorrem ao nível atômico e subatômico (ou seja, envolvendo elétrons e suas características).

Passo 2

Entender primeiro o que é a “origem” do magnetismo em termos físicos: o que produz um campo magnético é um momento magnético associado a cargas em movimento ou a propriedades intrínsecas das partículas. Uma forma simples de ver isso é lembrar que uma corrente elétrica cria um momento magnético. Para um laço de corrente:
\mu = I\,A,
onde \mu é o momento magnético, I é a corrente e A é a área do laço. Esse momento magnético é o que interage com campos magnéticos externos e causa forças/energias magnéticas. A partir dessa ideia, vamos identificar duas formas, no mundo atômico, de produzir momentos magnéticos.

Passo 3

Primeira propriedade: movimento das cargas — momento magnético orbital dos elétrons.
  • Imagina um elétron movendo-se ao redor do núcleo (modelo clássico intuitivo): esse movimento é equivalente a uma pequena corrente e, portanto, gera um momento magnético orbital.
  • A relação entre momento magnético orbital e momento angular orbital é, em geral:
\boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} = \frac{q}{2m}\,\mathbf{L},
onde q é a carga da partícula, m é sua massa e \mathbf{L} é o momento angular orbital.
  • Para o elétron temos q=-e e m=m_e, então
\boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} = -\frac{e}{2m_e}\,\mathbf{L}.
  • Observações didáticas: o sinal negativo indica que a direção do momento magnético é oposta ao momento angular porque o elétron tem carga negativa. No átomo quântico, \mathbf{L} é quantizado, mas a ideia permanece: elétrons em órbitas não simétricas (ou com momentos angulares não cancelados) produzem um momento magnético.

Passo 4

Segunda propriedade: spin intrínseco dos elétrons — momento magnético de spin.
  • O spin é uma propriedade quântica intrínseca da partícula; não é “girarem no espaço” literalmente, é uma característica básica como a massa ou carga. Mesmo assim, o spin carrega um momento magnético. A relação (quantitativamente) é
\boldsymbol{\mu}_{\text{spin}} = -g\,\frac{e}{2m_e}\,\mathbf{S},
onde \mathbf{S} é o operador momento angular de spin, e g é o fator giromagnético do elétron (para o elétron livre g\approx 2{,}0023).
  • Para elétrons com spin \tfrac{1}{2}, a magnitude do momento magnético de spin é da ordem da magnetização elementar conhecida como magnetão de Bohr:
\mu_B = \frac{e\hbar}{2m_e},
e o momento de spin tem magnitude aproximadamente \sim g\,\mu_B/2.
  • Didaticamente: mesmo que não haja “corrente” clássica, o spin gera um campo magnético — é uma fonte fundamental de magnetismo ao nível subatômico.

Passo 5

Conectar essas duas propriedades ao magnetismo macroscópico (porquê elas importam na prova):
  • Em um material, cada átomo/íon tem momentos magnéticos resultantes da soma dos momentos orbital e de spin de seus elétrons. Se todos esses momentos estiverem emparelhados e cancelarem-se, o material não apresenta momento magnético líquido (é diamagnético ou não magnético).
  • Se existirem elétrons desemparelhados (momentos não cancelados), esses momentos podem alinhar-se sob um campo externo (paramagnetismo) ou, em certos materiais e graças a interações quânticas chamadas intercâmbio (exchange), alinhar-se espontaneamente entre si formando domínio magnético (ferromagnetismo).
  • Portanto, as duas propriedades fundamentais (orbital e spin) são as “peças” microscópicas que, quando não se cancelam e/ou interagem adequadamente, dão origem ao magnetismo observável.

Passo 6

Resumo prático e exemplos para fixar (como usar isso numa prova):
  • Lembre: “movimento de carga” → pensa em momento angular orbital \mathbf{L} e a fórmula \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} = -\dfrac{e}{2m_e}\mathbf{L}.
  • Lembre: “propriedade intrínseca” → pensa em spin \mathbf{S} e a fórmula \boldsymbol{\mu}_{\text{spin}} = -g\dfrac{e}{2m_e}\mathbf{S}.
  • Exemplo rápido: ferro tem muitos elétrons desemparelhados nos orbitais 3d; esses spins (e seus momentos orbitais parcialmente não cancelados) e a interação de troca fazem com que os momentos se alinhem, gerando forte ferromagnetismo.
  • Frases rápidas para a prova: “Magnetismo microscópico vem de momentos magnéticos associados ao movimento de cargas (orbital) e ao spin intrínseco das partículas (spin).”

Resposta

Movimento das cargas (momento magnético orbital dos elétrons).
Spin intrínseco dos elétrons (momento magnético de spin).

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