Спин электрона это: Что такое спин? — все самое интересное на ПостНауке - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Почему спин – это причудливое свойство в физике

Спин – это сложная для понимания и в высшей степени необычная величина в квантовой физике. Да и сам квантовый мир крайне причудлив. Поскольку в его царстве субатомные частицы действуют по правилам, далеким от привычных.

К примеру, квантовые частицы могут находиться в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно. То есть существовать в тумане вероятностей. И им нет никакого дела до того, что мы этого не понимаем. Но сейчас не об этом. А о причудливом свойстве квантовых частиц, называемых в физике спином.

Содержание:

Спин — что это за понятие в физике?
Спин квантовой частицы — свойства
Как понять направление вектора спина? Спин вращения
Эксперимент Штерна-Герлаха
Почему спин – это удивительная величина в квантовой физике?
Спин и микролептоны
Резюме

Хотя мы этого и не видим, и возможно даже никогда об этом не задумываемся, но всё что нас окружает, состоит из разнообразных частиц и находится в постоянном движении. Тот же телефон, которым вы пользуетесь, состоит из молекул, а те из атомов. И хотя «атом» в переводе с греческого означает «неделимый», он также состоит из еще более мелких частиц.

Соответственно, первичные, неразложимые частицы, из которых состоит вся материя, называются элементарными частицами. Или же квантовыми или фундаментальными частицами.

Спин — что это за понятие в физике?

Итак, спин — что это за понятие в физике, а точнее в квантовой механике, и чем он странен?

В переводе с английского спин (spin) – это вращение, вращаться. Если посмотреть определение, то спин — это собственный момент импульса элементарной частицы.

А вектор спина — это величина, характеризующая ориентацию спина в квантовой механике.

Но суть в том, что спин никак не связан ни с движением, ни с перемещением, ни с вращением частицы. Хотя, если представить, что спин в чем-то он аналогичен вращению Земли, то это дает квантовой частице угловой момент и крошечное магнитное поле, называемое магнитным моментом.

С другой стороны, спин – это такая причудливая квантовая величина в физике, для которой невозможно представить и найти классического аналога.

Спиновый угловой момент или просто спин (для краткости) — это внутреннее свойство частицы. И им она обладает, если можно так сказать, по праву рождения. Так же как массой или зарядом. А все остальные свойства частицы уже зависят от того, что она делает.

И если попробовать по этому принципу разделить некоторые свойства квантовой частицы, то получим следующую таблицу:

Изначальные внутренние свойства	Внешние изменяемые свойства
Масса	Положение
Заряд	Энергия
Спин	Импульс
	Орбитальный угловой момент

Соответственно, спин частицы невозможно изменить, также как её заряд или массу. Это её неизменная квантовая характеристика.

Небольшое видео о том, что такое квантовый спин на английском языке. При желании всегда можно включить перевод в субтитрах.

К тому же, в отличие от классического магнитного момента, спин квантуется. Другими словами, спин может принимать только одно из двух возможных значений.
Для определения спина в квантовой механике используют спиновое квантовое число. Спиновое число обозначается буквой J и принимает ряд дискретных значений. А само значение спина пропорционально постоянной Планка h
Кстати, одним из применений квантовой физики в жизни становятся квантовые компьютеры. И тогда спин электрона оказывается крайне важен. Ведь он является одной из физических реализаций квантовой системы с двумя состояниями.

Спин квантовой частицы – свойства

Понятие «спин» было предложено в 1925 году американскими физиками Джорджем Уленбеком и Абрахамом Гаудсмитом как объяснение существования спектральных линий. Вот как говорится об этом в книге «Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности».

«В классической физике угловой момент, описывающий обычное вращение, может быть направлен в произвольном направлении. То, что предложил Уленбек было квантовым вращением — спином.

Свойства спина

Спин — это двузначная величина. То есть спин может быть направлен “вверх” или “вниз”. Уленбек представлял себе эти два допустимые спиновые состояния как вращение электрона относительно вертикальной оси по или против часовой стрелки. При этом электрон продолжал вращаться по орбите вокруг ядра.
При таком движении электрон генерирует собственное магнитное поле. Он ведет себя как стержневой электромагнит субатомных (очень малых) размеров.

Магнитный момент электрона может быть ориентирован по внешнему магнитному полю либо против него.
Понятно, что на любой разрешенной электронной орбите может находиться сразу два электрона. Но при условии, что у одного из них спин направлен “вверх”, а у другого “вниз”. Тогда этим двум направлениям спина соответствуют очень близкие, но не тождественно равные энергии. (Именно это и приводит к образованию в спектре щелочей дублета, то есть не одной, а двух очень близко расположенных друг к другу линий.)

Спектральные линии. Продублированные линии одного цвета и есть дублеты

Уленбек и Гаудсмит показали, что спин электрона может равняться плюс или минус одной второй ¹/₂. Он удовлетворяет принципу запрета Паули.

И все же, впервые идею о существовании спина у электрона выдвинул 21-летний американец Ральф Крониг. Но не опубликовал это открытие из-за саркастической реакции Паули. “В будущем я буду доверять своим суждениям больше, чем чьим-либо еще”, — впоследствии жаловался он.

Позднее Джордж Уленбек открыто признал, что он и Гаудсмит вовсе не были первыми, кто предложил квантовать вращение электрона.

Даже годы спустя большинство физиков считало, что Гаудсмит и Уленбек должны были получить Нобелевскую премию.

В конце концов, спин электрона — одно из самых важных понятий физики XX века.

Но именно из-за инцидента с Паули и Кронигом Нобелевский комитет уклонился от присуждения награды Гаудсмиту и Уленбеку».

Наверное, именно таким двойным открытием реализовались в макромире квантовые свойства спина. Такая вот шутка от спина.

Нажмите на картинку — ответ на вопрос внутри

Как понять направление вектора спина? Спин вращения

Протоны, нейтроны, электроны, любые квантовые частицы из которых состоят ядра атомов, постоянно находятся в состоянии словно бы вращения. По аналогии с юлой или маленькими гироскопами. Вне зависимости от того, что вы делаете с ними, вы не можете замедлить или ускорить «вращение», то есть спин квантовой частицы. Вы можете только поменять их положение.

Спин вращения традиционно описывают словами «вверх» или «вниз», в зависимости от направления.

Так как же понять направление вектора спина субатомных частиц?

Есть несколько способов. Прежде всего, да и проще всего, спин вращения квантовой частицы можно определить так:

Например, если представить себе наручные часы, лежащие на столе, то понятие вращения «вверх» будет соответствовать движению против часовой стрелки. А вращение «вниз» — по часовой стрелке.
Кроме того, есть и другой удобный способ запомнить, что такое спин «вверх» и спин «вниз». Для этого смотрим на правую руку и сгибаем пальцы на руке в том направлении, в котором вращается квантовая частица. К примеру, протон или нейтрон. В результате, большой палец на правой руке будет направлен вдоль оси вращения. А его направление будет определять «направление» спина – «вверх» или «вниз».

Также, о правом и левом вращении можно прочитать в статье «Спасение и бич 21 века».

Эксперимент Штерна-Герлаха

«Эксперимент Штерна-Герлаха» впервые был проведен в 1922 году. Он дал первый намек на то, что квантовые частицы обладают неизвестным ранее видом магнетизма. Другими словами, исследователи обнаружили, что частицы обладают неким свойством, проявляющимся только в присутствии магнитного поля.

В ходе эксперимента физики Отто Штерн и Вальтер Герлах из Гамбургского университета в Германии запускали атомы серебра через магнитное поле. Затем они измеряли, где частицы приземляются на экране. И если обычный магнит может оказаться в любой точке, в зависимости от его силы и ориентации, то атомы появляются только в двух дискретных точках.

Экспериментаторы обнаружили, что в квантовой реальности электроны ведут себя так, словно они вращаются сами по себе очень быстро. При этом создаются крошечные магнитные поля вокруг электронов, независимые от тех, которые возникают при их орбитальном движении вокруг ядра.

Вскоре для описания этого процесса была использована терминология «спин» — видимое вращение субатомных частиц. Ведь они вели себя как миниатюрные магниты.

Следовательно, если вы пошлете электрон через магнитное поле и измерите его спин, то вы всегда получите только один из двух результатов.

Физики называют их «спин вверх” и “спин вниз”. И тогда “вверх” и «вниз» — это направления, определяемые магнитным полем.

Спины электронов всегда будут направлены вверх или вниз после измерения и никогда под некоторым углом между ними. Подробнее об этом в видео «Эксперимент Штерна-Герлаха. Спин электрона».

А если хочется углубиться в физику чуть больше, то в продолжении темы видео о том, как ведет себя спин в магнитном поле.

Почему спин – это удивительная величина в квантовой физике?

Итак, давайте обобщим.

Во-вторых, кажется, что электрон не имеет реального размера. Это безразмерная «точечная частица». И она не имеет наблюдаемой структуры вплоть до миллиардной доли миллиардного метра. А безразмерная точка не может никак вращаться. Каково это быть без структуры? И что тогда вращается вокруг оси?

Далее, еще более странно то, что электрически нейтральные частицы, такие как нейтроны, также имеют спин. Как это возможно? Оказывается, они могут быть нейтральными, только если они состоят из более мелких частиц, которые не нейтральны. И тогда нейтроны все еще крошечные магниты.
А благодаря тому, что спин — это неотъемлемое свойство всех квантовых частиц, стало возможно классифицировать всю квантовую материю.
Точно так же, как мы легко объединяем вещи по видам и типам в соответствии с их общими характеристиками.

Как и многие вещи в квантовом мире, спин квантован. А это означает, что спин частицы ограничен определенными точными значениями. Спин принято измерять в долях постоянной Планка, и минимальное возможное значение спина соответствует ½ постоянной Планка. Но, как правило, физики говорят просто ½, 1, 2 и так далее. То есть 0, ¹/₂, 1 или ³/₂ могут быть. А, к примеру, 0,789 – уже нет.
Более того, эти допустимые значения делят каждую частицу во Вселенной на две категории, в зависимости от того, является ли ее спин целым числом (0, 1, 2), или дробным.
Ты либо бозон, либо фермион. Других вариантов нет.
Бозоны — это частицы в физике с целочисленными спинами. Например, фотон.
В то время как фермионы обладают полуцелыми спинами (электроны).

Спин и микролептоны

Таким образом, из-за того что вращение у спина квантовано, допускаются только определенные дискретные вращения у различных квантовых частиц. А это делает спин одним из самых сложных аспектов в квантовой физике и механике.

И хотя прошло уже почти 100 лет с момента открытия спина, но до сих пор нет однозначного понимания. Например, ученые ломают копья в вопросе «Из чего складывается спин протона?» А также склоняются к тому, что элементарные частицы, возможно, тоже составные.

Квантовый мир нехотя расстается со своими секретами. И все же уже открыто множество новых частиц. Одними из них были микролептоны.

Микролептоны легче электрона в миллионы и миллиарды раз.

Размер микролептонов – 10^-24 м и меньше.

А вес от 1,3 *10^-40 кг и меньше.

Таким образом, благодаря своему крайне малому размеру они способны проникают повсюду.

Как оказалось, именно они ответственны за связь между здоровьем, старением организма, водой и излучением электроприборов. Например, вот одно из последних исследований воздействия микроволновой печи на воду. Подробнее об этой связи можно узнать в статье «Как спин квантовой частицы влияет на здоровье?»

Если нажмете на картинку, то откроется программа расчета.

В тоже время, уже разработаны и активно используются защитные и восстанавливающие устройства.

Резюме

Надеюсь, статья помогла вам разобраться, что такое спин и почему это свойство такое сложное для понимания в квантовой физике. Да и не только в физике, но и в химии тоже.

Еще раз повторюсь, спин – это внутренняя характеристика электрона в квантовой физике, его собственный момент импульса, не связанный с вращением чего-либо или электрическим зарядом.

Здоровья и Добра!

«Если говорить простыми словами, что такое спин электрона? На что он влияет?» — Яндекс Кью

Определение спина электрона — Химический словарь

Что такое спин электрона?

Электронный спин — это квантовое свойство электронов.

Это форма углового момента. Величина этого углового момента постоянна. Подобно заряду и массе покоя, спин является фундаментальным неизменным свойством электрона.

В качестве метода обучения инструкторы иногда сравнивают вращение электрона с вращением Земли вокруг своей оси каждые 24 часа. Если электрон вращается вокруг своей оси по часовой стрелке, это называется вращением вверх; против часовой стрелки – вращение вниз. Это удобное объяснение, хотя и не вполне оправданное математически.

Спиновый угловой момент, связанный со спином электрона, не зависит от орбитального углового момента, связанного с путешествием электрона вокруг ядра.

Спин электрона не используется для определения электронных оболочек, подоболочек или орбиталей, в отличие от квантовых чисел n, l и m _l .

Спин электрона против квантового числа спина электрона

Спин электрона и квантовое число спина электрона часто трактуются как одно и то же. Оба являются квантовыми числами. На самом деле это разные, но очень близкие понятия.

• спин электрона имеет символ s

• квантовое число спина электрона имеет символ m _s .

с

Спин электрона, с, имеет только одно возможное значение. Это значение равно ½. Как масса покоя и заряд электрона, спин не меняется.

m

В отличие от

массы и заряда электрона, спин имеет ориентацию. Ориентация спина показана квантовым числом спина m _s .

m _s может быть положительным или отрицательным.

Различные способы выражения m _s должны быть написаны:

• + или −

• вращение вверх или вращение вниз

• или

Например, на диаграмме ниже гелий находится в основном электронном состоянии.

Один из его электронов имеет спин вверх, другой – вниз. Альтернативно, один из его электронов имеет положительный спин, другой – отрицательный.

Обычно говорят, что любой электрон в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами:

• n: главное квантовое число

• l: квантовое число орбитального углового момента

• m _l : магнитное квантовое число

• m _s : квантовое число спина

Мы не включаем с, потому что его значение не меняется. Это всегда половина. Таким образом, значение спинового квантового числа m _s обычно записывается как ±½.

Открытие спина электрона

Встроенный или собственный спин электрона был впервые обнаружен Отто Штерном и Вальтером Герлахом в 1922. Однако волновое уравнение Эрвина Шредингера 1926 года этого не учитывало.

Вольфганг Паули успешно ввел спин электрона в волновую механику в качестве дополнения. Уже использовались три квантовых числа; Введение Паули спина завершило квантовую картину электрона в атоме водорода.

В 1928 году знаменитое релятивистское уравнение Поля Дирака для электрона, уравнение Дирака, произвело спин электрона как естественное следствие квантовой физики: спин больше не был дополнением.

Спин электрона

Спин «вверх» и «вниз» позволяет два электрона для каждого набора пространственных квантовых чисел.

Спин электрона s = 1/2 является внутренним свойством электронов. Электроны имеют собственный угловой момент, характеризуемый квантовым числом 1/2. В структуре других квантованных угловых моментов это дает полный угловой момент

Наблюдаемая в результате тонкая структура соответствует двум возможностям для z-компоненты углового момента. Это вызывает расщепление энергии из-за магнитного момента электрона.

Дальнейшее обсуждение

Индекс

Гиперфизика***** Квантовая физика

R Ступица

Два типа экспериментальных данных, возникших в 1920-х годах, свидетельствовали о дополнительном свойстве электрона. Одним из них было близкое расщепление спектральных линий водорода, называемое тонкой структурой. Другим был эксперимент Штерна-Герлаха, который показал в 1922 году, что пучок атомов серебра, направленный через неоднородное магнитное поле, разделится на два луча. Обе эти экспериментальные ситуации согласовывались с наличием собственного углового момента и магнитного момента у отдельных электронов. Классически это могло бы произойти, если бы электрон был вращающимся заряженным шаром, и это свойство было названо спином электрона.

Квантование углового момента уже возникло для орбитального углового момента, и если бы этот спин электрона вел себя так же, квантовое число углового момента s = 1/2 требовалось, чтобы дать только два состояния. Это внутреннее свойство электрона дает:

Index

Гиперфизика***** Квантовая физика

R Nave

Вернуться

Экспериментальные данные, такие как тонкая структура водорода и эксперимент Штерна-Герлаха, предполагают, что электрон обладает собственным угловым моментом, независимым от его орбитального углового момента. Эти эксперименты предполагают только два возможных состояния для этого углового момента, и, следуя модели квантованного углового момента, это требует квантового числа углового момента, равного 1/2.

Имея это свидетельство, мы говорим, что электрон имеет спин 1/2. Угловой момент и магнитный момент действительно могут возникнуть из-за вращающейся заряженной сферы, но эта классическая картина не может соответствовать размеру или квантованной природе спина электрона. Свойство, называемое спином электрона, следует рассматривать как квантовую концепцию, не имеющую подробной классической аналогии. Квантовые числа, связанные со спином электрона, следуют характерной схеме:

Иллюстрация

Спин электрона Магнитный момент

Index

Гиперфизика***** Квантовая физика

R Nave

Поскольку электрон обладает собственным угловым моментом, можно было бы ожидать, что магнитный момент будет соответствовать форме орбиты электрона. Тогда можно было бы ожидать, что z-компонента магнитного момента, связанного со спином электрона, будет равна

но измеренное значение оказывается примерно в два раза больше. Измеренное значение записывается

где g называется гиромагнитным отношением, а g-фактор спина электрона имеет значение g = 2,00232 и g = 1 для орбитального углового момента. Точное значение g было предсказано релятивистской квантовой механикой в уравнении Дирака и измерено в эксперименте со сдвигом Лэмба. Естественная константа, возникающая при рассмотрении магнитных эффектов, называется магнетоном Бора. Магнитный момент обычно выражается кратным магнетону Бора.

Спиновый магнитный момент электрона играет важную роль в спин-орбитальном взаимодействии, которое расщепляет энергетические уровни атомов и порождает тонкую структуру в спектрах атомов. Магнитный момент спина электрона также является фактором взаимодействия атомов с внешними магнитными полями (эффект Зеемана).

Термин «спин электрона» не следует понимать буквально в классическом смысле как описание происхождения описанного выше магнитного момента. Конечно, вращающаяся заряженная сфера может создавать магнитный момент, но величину полученного выше магнитного момента нельзя разумно смоделировать, рассматривая электрон как вращающуюся сферу. Высокоэнергетическое рассеяние от электронов показывает отсутствие «размера» электрона вплоть до разрешения около 10 ^-3 ферми, и при таком размере потребовалась бы нелепо высокая скорость вращения порядка 10 ³² радиан/с, чтобы соответствовать наблюдаемому угловому моменту.

Index

Гиперфизика***** Квантовая физика

R Nave

Этот эксперимент подтвердил квантование спина электрона по двум ориентациям. Это внесло большой вклад в развитие квантовой теории атома.

Потенциальная энергия магнитного момента спина электрона в магнитном поле, приложенном в направлении z, равна

, где g — g-фактор спина электрона, а m _B — магнетон Бора.

Использование отношения силы к потенциальной энергии дает

Можно показать, что отклонение пропорционально спину и величине градиента магнитного поля. Она обратно пропорциональна кинетической энергии частицы.

Почему луч разделяется на две части?

Index

Great experiments of physics

Reference
Beiser
Perspectives of Modern Physics

HyperPhysics***** Quantum Physics

R Nave

В 1921 году Отто Штерн и Вальтер Герлах провели эксперимент, который показал квантование спина электрона по двум ориентациям. Это внесло большой вклад в развитие квантовой теории атома.

Настоящий эксперимент проводился с пучком атомов серебра из горячей печи, потому что их можно было легко обнаружить с помощью фотоэмульсии. Атомы серебра позволили Штерну и Герлаху изучить магнитные свойства отдельного электрона, потому что эти атомы имеют единственный внешний электрон, который движется в кулоновском потенциале, вызванном 47 протонами ядра, экранированными 46 внутренними электронами. Поскольку этот электрон имеет нулевой орбитальный угловой момент (орбитальное квантовое число l = 0), можно было бы ожидать, что взаимодействия с внешним магнитным полем не будет.

Штерн и Герлах направили пучок атомов серебра в область неоднородного магнитного поля (см. схему эксперимента). Магнитный дипольный момент будет испытывать силу, пропорциональную градиенту поля, поскольку два «полюса» будут подвергаться воздействию разных полей. Классически можно было бы ожидать всех возможных ориентаций диполей, чтобы на фотопластинке образовалось непрерывное пятно, но они обнаружили, что поле разделяет пучок на две отдельные части, указывая только на две возможные ориентации магнитного момента электрона.

Оставить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.