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El número cuántico de espín es el cuarto número cuántico e indica la orientación del momento angular intrínseco de una partícula elemental (como un electrón o un quark), de una partícula compuesta (como los neutrones y protones) o de un núcleo atómico entero. Como tal, es un número que representa, junto con los otros tres números cuánticos, un estado cuántico particular de una partícula subatómica.
Este número cuántico se descubrió durante el primer cuarto del siglo XX, tras obtenerse medidas mucho más precisas de los espectros de líneas de emisión atómica. Una inspección más cercana de estas líneas de emisión, mostró que no se trataba de líneas individuales sino de multipletes de líneas. Esto solo se pudo explicar atribuyéndole a los electrones un cuarto número cuántico de momento angular que se podía interpretar como el sentido de rotación del electrón en torno a su propio eje, de manera similar a como un trompo (peonza) o la tierra giran en torno al suyo. De hecho, esta es la razón por la que se llama espín, ya que dicha palabra proviene de la palabra en inglés spin que significa girar.
Como el electrón tiene carga eléctrica, esta rotación genera un pequeño campo magnético que se dirige a lo largo del eje de rotación. El electrón solo puede tener dos espines opuestos (+1/2 y -1/2) por lo que puede generar uno de dos posibles campos magnéticos que apuntan en direcciones contrarias. Este campo magnético es el responsable del desdoblamiento de las líneas de emisión.
¿Cuáles son los demás números cuánticos?
Antes del descubrimiento del espín, solo se conocían 3 números cuánticos que surgen de la solución matemática de la ecuación de Schrödinger. Estos son:
- Número cuántico principal o nivel de energía (n). Este número cuántico está asociado a qué tan cerca del núcleo se encuentra un electrón. Mientras menor sea, más cercano del centro estará.
- Número cuántico secundario o momento angular (l). Estenúmero cuántico está asociado con la forma del orbital que ocupa un electrón.
- Numero cuántico magnético (ml). Asociado con la orientación en el espacio de los orbitales atómicos.
En conjunto, cada combinación de estos tres números cuánticos define un único orbital atómico para un electrón, mientras que el espín identifica a un electrón en particular.
Diferentes valores del espín para diferentes tipos de partículas
El espín es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, tal como lo es la carga eléctrica. Además, así como la carga eléctrica, las partículas solo pueden tener ciertos valores de espín con signos opuestos. De hecho, el espín permite distinguir dos clases de partículas diferentes en la naturaleza, según los posibles valores de espín que pueden tener, que son los fermiones y los bosones. Esta clasificación de las partículas proviene del modelo actual de la materia, denominado el modelo estándar.
Los Fermiones
Los fermiones son las partículas que forman parte de lo que conocemos como materia: todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Esta familia de partículas incluye a los quarks y leptones (entre los que se encuentran los electrones), los cuales se caracterizan por cumplir con el principio de exclusión de Pauli, y por tener espines de +1/2 o de -1/2 (lo que se suele representar como ↑ y ↓ o espín hacia arriba y espín hacia abajo).
Cuando estas partículas elementales se unen entre sí para formar partículas compuestas (hadrones), se pueden obtener números de espín diferentes tales como 3/2 y -3/2.
Los Bosones
La familia de los bosones consiste en partículas que no siguen el principio de exclusión de Pauli y se caracterizan por tener un espín de 1. Se cree que pueden existir bosones elementales con otros valores de espín como 0, 2, 3, etcétera. Se cree que estas partículas son las responsables de la existencia de todas las fuerzas conocidas (fuerza electromagnética, gravitacional, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil).
Propiedades del número cuántico de espín
- Se representa con el símbolo ms o con s.
- Al ser un número cuántico, su valor está cuantizado, lo que significa que sólo puede adquirir ciertos valores múltiplos de una cantidad mínima (el cuanto). Tal como se explicó hace un momento, el espín solo puede tomar valores de +1/2 y -1/2 para los fermiones, y 1 para los bosones (aunque puede haber otros bosones con espines diferentes).
- El espín solo puede adquirir valores que sean múltiplos enteros de ħ/2, donde ħ es la constante de Plank reducida (h/2π).
- Si se mide el espín de un electrón a lo largo de un campo magnético, solo se obtendrá valores de ħ/2 o del – ħ/2.
