Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Spin

Spin to moment pędu cząstki elementarnej, będący jej wewnętrzną, charakterystyczną cechą, taką jak masa lub ładunek. A więc, nie wynika on z obrotu cząstki wokół jakiejś zewnętrznej osi, ale wokół własnej osi.
Innymi słowy, jeśli odrzucić popularne, ale niewystarczająco uzasadnione, założenie mówiące, że cząstki elementarne są punktami, to możemy sobie wyobrazić spin jako wirowanie całej cząstki (może kuli?) wokół osi przechodzącej przez jej środek.

Jak na moment pędu przystało, spin jest wektorem. W mechanice kwantowej odpowiada mu tzw. spinowa liczba kwantowa s. Przyjmuje on wartości połówkowe dla cząstek elementarnych, zwanych fermionami (elektrony, neutrina, kwarki) i wartości całkowite dla bozonów (foton, grawiton, gluony).
Przykładowo: elektron i kwarki mają spin 1/2, a foton - spin równy 1.

Pierwsze przesłanki dla teoretyków, świadczące o istnieniu spinu, pojawiły się w 1924 roku w związku z zasadą wykluczania Pauliego (zakazem Pauliego). Pauli stwierdził, że 2 elektrony nie mogą pojawić się w identycznym stanie kwantowym, podczas gdy wiadomo już było, że w orbitalu atomowym mogą one występować parami.
A więc należało założyć, że te elektrony czymś się różnią. Pauli nazwał to coś "dwuwartościowym stopniem swobody".
W 1925 roku Ralph Kronig zasugerował, że ów stopień swobody związany jest z rotacją elektronu wokół własnej osi.

Wartość (długość) wektora spinu można obliczyć za pomocą spinowej liczby kwantowej s:

spin 1

gdzie: s - spinowa liczba kwantowa, ħ - stała Plancka podzielona przez 2π

Co ciekawe, rzuty wektora spinu na dowolną oś nie tworzą ciągłego kontinuum, ale są skwantowane i mogą przybierać wartości od -ħs do ħs (skok co jeden). Liczba tych wartości jest zatem skończona. Jest ich 2s+1.
Na przykład: dla cząstki o spinie 1/2 mamy 2 możliwe rzuty: -(1/2)ħ i (1/2)ħ, a dla cząstki o spinie 1 mamy trzy możliwe rzuty: -ħ, 0 i ħ.
Zauważmy, że pomijając przypadek trywialny (spin = 0), długość wektora spinu nigdy nie może być równa największej długości rzutu na dowolną oś, bo:

spin 2

Jest to bardzo ciekawa własność spinu. Długość całego wektora jest zawsze większa, więc będzie on zawsze tworzył z osią rzutu pewien niezerowy kąt.
Oznacza to, że wektor spinu zawsze ma jeszcze rzuty na pozostałe, dwie prostopadłe osie. Jednak mechanika kwantowa mówi, że nie możemy znać za jednym razem wartości rzutów na 2 lub 3 osie prostopadłe. Możemy tylko znać wartość rzutu na jedną oś i wartość całego wektora spinu (wartości pozostałych 2 rzutów są całkowicie nieoznaczone, czyli każda możliwa wartość tak samo prawdopodobna). To bardzo osobliwe i trudne do zrozumienia.

Doświadczenie, które udowodniło że spin istnieje i jest skwantowany, zostało przeprowadzone w 1922 roku. Jest to słynne doświadczenie Sterna-Gerlacha. Polegało ono na przepuszczeniu wiązki atomów srebra (spin = 1/2) przez niejednorodne pole magnetyczne, prostopadłe do kierunku wiązki (działające wzdłuż np. osi z).
Wiadomo, że cząstki o niezerowym spinie mają niezerowy moment magnetyczny. Niejednorodne pole magnetyczne ma tę własność, że odchyla wiązkę cząstek z momentem magnetycznym w kierunkach swojego działania (u nas: osi z).
Gdyby spin nie istniał, wiązka nie byłaby odchylona.
Gdyby spin nie był skwantowany, wiązka odchylana byłaby pod dowolnymi kątami.
Otrzymano jednak zaskakujący obraz. Wiązka została odchylona tylko pod dwoma kątami (w przeciwne strony), co odpowiada 2 możliwym rzutom spinu 1/2 na oś z.
Istnienie spinu i jego skwantowanie stały się faktami eksperymentalnymi.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski