El hierro, el cobalto y el níquel tienen d-orbitales parcialmente llenos. (La cáscara d tiene 5 d-orbitales, cada uno de los cuales puede contener 0, 1 o 2 electrones). Cuando uno o más d-orbitales está medio lleno, proporciona al átomo un momento magnético. Los momentos magnéticos individuales en un cristal pueden alinearse y dar un momento magnético neto. Estos cristales se llaman ferromagnéticos y son lo que generalmente entendemos por ‘magnéticos’. (Para obtener crédito adicional, lea el artículo de Wiki (http://en.wikipedia.org/wiki/Fer…) y descubra los materiales ferimagnéticos, paramagnéticos, antiferromagnéticos y otros tipos relacionados de materiales). Si el cristal se calienta por encima de su Curie temperatura, los momentos magnéticos individuales pierden alineación. La alineación se recupera cuando el material se enfría por debajo de su temperatura de Curie. Fe, Co y Ni tienen temperaturas de Curie superiores a la temperatura ambiente, por lo que son ferromagnéticas a temperatura ambiente.
Edite con más mecánica cuántica y física de estado sólido
James Lindelien hizo una excelente pregunta. Todos los electrones tienen spin 1/2, por lo que cualquier átomo con un número impar de electrones tendría un spin neto. Entonces, ¿por qué necesitamos d-orbitales? Una respuesta plausible sería que las simetrías de los orbitales d se alinean con ejes reticulares en las estructuras de cristal hexagonal o cúbico de Co, Ni y Fe. Los orbitales s tienen simetría esférica y los orbitales p tienen simetría tetraédrica.
Pero la verdad es más compleja. En los sólidos, los electrones no están localizados en átomos individuales. En cambio, se superponen, interactúan y forman bandas que pueden extenderse sobre todo el cristal. Las energías y formas de estas bandas dependen de las fuerzas electrostáticas de los núcleos y de las interacciones entre los electrones. Los electrones ocupan estas bandas en lugar de los orbitales atómicos individuales.
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Una de las fuerzas entre los electrones en un sólido es una interacción mecánica cuántica, el intercambio, que no tiene una descripción o análogo clásico. (Surge del principio de exclusión). La interacción de intercambio entre dos electrones depende de las formas de las funciones de onda de los electrones. Es diferente para los electrones en los orbitales d que para los electrones en los orbitales s o p. En los materiales ferromagnéticos, hay bandas d giratorias y bandas d giratorias. La interacción de intercambio hace que una banda sea un poco más baja que la otra. La banda de energía más baja está llena y la banda de energía más alta no está completamente llena. Esto conduce a aproximadamente 1/2 electrón más por átomo con giro hacia arriba que con giro hacia abajo. Este exceso de giro en una dirección es el origen del ferromagnetismo.
Esta sigue siendo una explicación simplificada de cómo los d-orbitales parcialmente llenos conducen al ferromagnetismo. Aprendí todo esto de la Introducción a la física del estado sólido de Charles Kittel. Este es un texto clásico. ¡Tengo las ediciones segunda y tercera y Amazon ahora está vendiendo la octava!
