Comience aquí: ¿Qué es el momento angular, en términos simples? Una vez que comprenda el concepto de momento angular, puede intentar comprender el giro. Si aún no comprende el momento angular, no tiene esperanzas de comprender el giro.
Sabemos que los objetos en movimiento tienen un momento angular. Si la línea de movimiento de un objeto es perpendicular al eje de rotación, la cantidad de momento angular que tiene el objeto es
[matemáticas] L = rp [/ matemáticas]
La Tierra tiene un momento angular mientras gira alrededor del Sol, y puede calcularlo tomando la distancia de la Tierra al Sol (r) y multiplicándola por la cantidad de momento que tiene la Tierra (p). Esta última es solo la masa de la Tierra multiplicada por su velocidad.
Los objetos que giran también tienen un momento angular, pero la idea básica es la misma. La Tierra gira alrededor de su propio eje, por lo que tiene un momento angular no solo de su revolución alrededor del Sol sino también de su propia rotación. A medida que la Tierra gira, cada átomo en la Tierra viaja en un círculo alrededor del eje de la Tierra, y cada átomo tiene su propia cantidad de momento angular de este proceso, [matemática] L = rp [/ matemática]. El momento angular total de la Tierra debido a su rotación es la suma de los momentos angulares de todos sus átomos a medida que giran alrededor del eje de rotación de la Tierra.
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Estos dos tipos de momento angular que tiene la Tierra se denominan momento angular orbital. El momento angular orbital es el momento angular que puede calcular a partir de la fórmula [matemáticas] L = rp [/ matemáticas] (o versiones más generales de esta fórmula). Y surge fundamentalmente del movimiento de partículas alrededor de un eje.
Los electrones en los átomos también pueden tener un momento angular en sus órbitas. Tenga en cuenta que los electrones no orbitan literalmente alrededor del núcleo. (Si lo hicieran, emitirían radiación y caerían en el núcleo y los átomos colapsarían). Sin embargo, puede calcular un momento angular para los electrones en los átomos basándose en una fórmula similar a [matemáticas] L = rp [/ matemáticas] pero reescrito en el lenguaje de la mecánica cuántica. Esto también es el momento angular orbital.
Pero algunas partículas elementales también tienen un momento angular, incluso cuando están paradas y no hay otras partículas a la vista. El electrón, por ejemplo. El electrón es realmente una partícula elemental, por lo que, a diferencia de la Tierra, no puede girar. Nuevamente, el giro ocurre cuando las partículas que forman un objeto giran alrededor de un eje que pasa a través del objeto. Un electrón no tiene partículas más pequeñas que lo componen, por lo que un electrón simplemente no puede girar. Y, sin embargo, el electrón tiene un momento angular de todos modos. Además, cada electrón en el universo tiene esta misma cantidad básica de momento angular, momento angular que tiene solo por ser un electrón. (Esa cantidad es 9.133 x 10 ^ -35 joule segundos, si tiene curiosidad). A esto le llamamos el momento angular intrínseco del electrón o el momento angular de giro. Los electrones siempre tienen esto; un electrón en un átomo todavía tiene un momento angular de giro. Cuando un electrón está en un átomo, puede calcular su momento angular total sumando su momento angular de giro a su momento angular orbital.
Si es inteligente, puede objetar y preguntar: ¿cómo puedo declarar arbitrariamente que un electrón estacionario tiene momento angular? ¿Qué significa eso? ¿Cómo podemos medir el momento angular de un electrón estacionario ya que la fórmula [matemáticas] L = rp [/ matemáticas] no se aplica?
La respuesta difícil es que existe una definición más técnica del momento angular, que es imposible de explicar a un laico a menos que primero se le eduque hasta el punto en que ya no pueda ser considerado un laico.
Una respuesta más simple es recordar que una propiedad importante del momento angular es que se conserva. Si no cuenta el momento angular de rotación como parte del momento angular total, descubrirá que el momento angular no se conserva. Es exactamente lo que sucede si no cuenta la energía potencial y se concentra en la energía cinética: no se conservará, porque la energía potencial se puede convertir en energía cinética y viceversa. Debe tener en cuenta todas las formas de energía para que se conserve la energía, y cualquier cosa que pueda convertirse en una forma de energía también debe ser una forma de energía. Del mismo modo, no tiene más remedio que asignar 9.133 x 10 ^ -35 J s de momento angular a cada electrón; si no lo hace, entonces el momento angular no se conservará. Y existe evidencia experimental directa de que el momento angular de rotación puede convertirse en momento angular orbital; toma la forma del efecto Einstein-de Haas.
“Girar” en sí mismo no es exactamente lo mismo que el momento angular intrínseco. El giro de una partícula es un número entero o medio entero. Es decir, puede ser 0, 1/2, 1, 3/2, 2, etc. Cada partícula tiene una cantidad característica de giro. El giro del electrón es 1/2, el giro del fotón es 1 y el giro del bosón de Higgs es 0. Las partículas con giro cero no tienen momento angular intrínseco. Las partículas con la mitad de rotación tienen la menor cantidad de momento angular intrínseco posible, 9.133 x 10 ^ -35 J s. Las partículas con spin uno tienen la siguiente cantidad más pequeña de momento angular intrínseco posible, 1.491 x 10 ^ -34 J s. La fórmula general es
[matemáticas] L = \ hbar \ sqrt {s (s + 1)} [/ matemáticas]
donde [math] s [/ math] es el giro, y [math] \ hbar [/ math] es la constante de Planck reducida, con un valor de 1.055 x 10 ^ -34 J s.
La razón por la que usamos los números 0, 1/2, 1, etc. es simple conveniencia; ¡es mucho más conveniente que hablar de la cantidad de momento angular directamente en unidades SI! Ahora puede preguntarse por qué usamos medios enteros, y no solo 0, 1, 2, 3, … Esto se debe a que el momento angular orbital se descubrió primero, y el número de momento angular orbital se definió como un número entero, 0, 1, 2, 3, etc. Pero el momento angular de rotación puede tomar una cantidad entre 0 y 1, o entre 1 y 2. Entonces se tuvieron que usar medios enteros.
No discutiré aquí las estadísticas de Fermi-Dirac y Bose-Einstein. Estas son algunas de las consecuencias más importantes del giro, pero esta respuesta ya es lo suficientemente larga y se pueden explicar en respuestas separadas.