Что называют спином электрона

Что такое спин электрона

Немецкие физики Отто Штерн и Вальтер Герлах в 1922 году провели опыт, доказавший, что у электронов есть собственный магнитный момент и связанный с ним момент импульса. Пучок атомов серебра, направленный на стеклянную пластинку, расщеплялся магнитным полем на две симметричные полоски. Этот процесс не зависел от возбуждения атомов, что противоречило теории квантовой физики. Таким образом, нечто в составе невозбужденного атома обладало магнитным моментом, достаточным, чтобы отклонять атомы в противоположные стороны.

Первоначально предполагалось, что электроны внутри атома вращаются не только вокруг ядра, но и вокруг своей оси. Собственный угловой импульс этого вращения задает направление электрона, делая его ориентированным в определенную сторону. Но модель вращающегося заряженного элемента не соответствует реальности: согласно расчетам в рамках классической механики, физическим вращением электрона невозможно индуцировать магнитный момент, наблюдавшийся при опытах.

Кто ввел понятие

Термин «спин» ввели в научный обиход американские физики Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек в 1925 году. Они доказали, что спин благодаря своей квантовой природе не имеет отношения к физическим перемещениям частиц в пространстве, он характеризует внутреннее свойство частицы, как масса или заряд. В процессе спин-орбитального взаимодействия внутри атома происходит изменение его полной энергии, в разных квантовых состояниях атом обладает разной энергией, что и приводит к двойным линиям в его оптическом спектре.

Формула спина электрона

Квантовое число

Спин измеряют в долях постоянной Планка (она же постоянная Дирака). Природа спина — квантовая, поэтому для каждой частицы он имеет конкретное постоянное значение.
Спиновое квантовое число всех электронов равно ½ постоянной Планка и обозначается как \(\hbar\frac{1}{2}\)

Модуль собственного момента импульса частицы определяется спиновым квантовым числом s и рассчитывается по формуле:

\(L_{s} = \hbar\sqrt{s \times (s + 1)}\)

Спиновая проекция на ось х, \(L_{sх}\), вычисляется по формуле \(L_{sх} = \hbar \times m_{s}\), где \(m_{s}\) — магнитное спиновое число. Для электрона оно равняется его спиновому квантовому числу, но может быть как положительным, так и отрицательным, так как определяет направление вектора спина. Он не является обычным вектором, поэтому может принимать только два значения относительно оси магнитного поля: «вверх» и «вниз».

Связь с релятивистским волновым уравнением

В 1928 году Поль Дирак опубликовал релятивистское уравнение для электрона. Взяв волновое уравнение Шрёдингера, Дирак применил к волновой функции процесс квантования, превратил обычные числа в квантовые, что позволило описать движение квантовых частиц во внешних полях. Координаты частиц, их импульсы, энергии и другие физические величины, описывающие переходы атомной системы из одного состояния в другое, у Дирака были представлены матрицами — квадратными таблицами (конечными или бесконечными), каждый элемент которых имеет два индекса. Так появилась квантовая теория поля, описывающая взаимодействие частиц как результат обмена квантами полей.

Каждая элементарная частица, в том числе электрон, является одновременно и частицей, и элементарной волной. У одночастичной волны, как и у обычной, можно измерить длину и частоту. В разных случаях электрон может вести себя и подобно частице, и подобно волне. В совокупности его описание как частицы и как волны дает полное представление о нем. При этом его волновая функция описывает лишь вероятность появления частицы в том или ином месте. Согласно принципу суперпозиции, волновые функции в квантовой механике складываются, и вероятности процессов определяются квадратом их модулей.

Связь спина электрона с теорией ферромагнетизма

Спин электрона, как и спин любой другой заряженной частицы, обладает магнитным моментом: реагирует на магнитное поле и сам его порождает. Явления ферромагнетизма в веществах, которые в быту называют магнитами, возникают именно благодаря спинам электронов. Когда электронные спины ориентированы упорядоченным образом, эти вещества способны намагничиваться самопроизвольно, без влияния внешнего магнитного поля.