В квантовата механика, докато се опитвате да правите аналогии между класическите величини и техните квантови аналози, не е необичайно тези аналогии да се провалят. Спинът е отличен пример за това.
Електрони и атомна структура
За да се разбере въртенето и последващото разграничение между орбитално и присъщо ъглово инерцията е важно да се разбере структурата на атома и как са подредени електроните в него.
Опростеният модел на Бор на атома третира електроните, сякаш те са планети, които обикалят около централна маса, ядрото. В действителност обаче електроните действат като дифузни облаци, които могат да приемат редица различни орбитални модели. Тъй като енергийните състояния, които могат да заемат, са квантувани или дискретни, има различни орбитали или области, в които съществуват различни електронни облаци при различни енергийни стойности.
Обърнете внимание на думатаорбиталенвместоорбита. Тези електрони не се въртят в хубави кръгови модели. Някои електрони могат да заемат дифузна сферична обвивка, но други заемат състояния, които създават различни модели, отколкото може да изглеждат като щанга или торус. Тези различни нива или орбитали често се наричат и черупки.
Орбитал срещу Вътрешен ъглов импулс
Тъй като електроните имат спин, но също така заемат състояние в орбитала на атом, те имат два различни ъглови момента, свързани с тях. Орбалният ъглов момент е резултат от формата на облака, който електронът заема. Може да се разглежда като аналогичен на орбиталния ъглов момент на планетата около Слънцето, тъй като се отнася до движението на електроните по отношение на централната маса.
Неговият вътрешен ъглов момент е неговото въртене. Докато това може да се разглежда като аналогично на въртящия ъглов момент на орбитална планета (т.е. ъгловия ъгъл инерция, получена от въртене на планетата около собствената си ос), това не е перфектна аналогия, тъй като електроните се считат за точки маси. Въпреки че има смисъл маса, която заема място, да има ос на въртене, всъщност няма смисъл точка да има ос. Независимо от това, има свойство, наречено спин, което действа по този начин. Спинът също често се нарича вътрешен ъглов момент.
Квантови числа за електрони в атомите
В рамките на атом всеки електрон се описва с четири квантови числа, които ви казват в какво състояние е този електрон и какво прави. Тези квантови числа са основното квантово числон, азимуталното квантово числол, магнитното квантово числоми квантовото число на спинас. Тези квантови числа са свързани помежду си по различни начини.
Основното квантово число приема целочислени стойности от 1, 2, 3 и т.н. Стойността нанпоказва коя електронна обвивка или орбитала заема конкретният електрон. Най-високата стойност нанза определен атом е числото, свързано с най-външната обвивка.
Азимуталното квантово числол, което понякога се нарича ъглово квантово число или орбитално квантово число, описва свързаната подчерупка. Може да приема целочислени стойности от 0 дон-1 къдетоне главното квантово число за черупката, в която се намира. Отл, големината на орбиталния ъглов момент може да се определи чрез съотношението:
L ^ 2 = \ hbar ^ 2l (l + 1)
КъдетоLе орбиталният ъглов момент на електрона и ℏ е редуцираната константа на Планк.
Магнитното квантово числом, често етикетиранимлза да стане ясно, че е свързано с определено азимутално квантово число, дава проекцията на ъгловия момент. В рамките на една обвивка векторите на ъгловия импулс могат да имат определени разрешени ориентации имлобозначава кои от тези конкретни електрони има.млможе да приема целочислени стойности между -ли +л.
По принцип спиновото квантово число се обозначава сс. За всички електрони обачес= ½. Свързан номермсдава възможните ориентации наспо същия начинмлдаде възможните ориентации нал. Възможните стойности намсса целочислени стъпки между-сис. Следователно за електрон в атом,мсможе да бъде или -½ или + ½.
Спинът се квантува чрез връзката:
S ^ 2 = \ hbar ^ 2s (s + 1)
къдетоСе вътрешният ъглов момент. Следователно знаейкисможе да ви даде вътрешния ъглов импулс също толкова знаенлможе да ви даде орбитален ъглов импулс. Но отново, в атомите всички електрони имат еднаква стойност нас, което го прави по-малко вълнуващ.
Стандартният модел на физиката на частиците
Физиката на частиците има за цел да разбере работата на всички основни частици. Стандартният модел класифицира частиците вфермиониибозонии след това допълнително класифицира фермиони вкваркиилептони, и бозони вгабаритискаларни бозони.
Лептоните включвателектрони, неутринои други по-екзотични частици катомюон,тауи свързаниантичастици. Въпросите включватнагоре и надолу кваркикоито се комбинират във форманеутрониипротони, както и кварки с имеГорна част, отдолу, странноичари свързаните с тях античастици.
Бозоните включватфотон, който медиира електромагнитни взаимодействия; наглуон,Z.0 бозон,W+иW-бозони иХигсбозон.
Всички основни фермиони имат спин 1/2, въпреки че някои екзотични комбинации могат да имат спин 3/2 и теоретично по-високи, но винаги цяло число, кратно на 1/2. Повечето бозони имат спин 1 с изключение на хигс бозона, който има спин 0. Предполага се, че хипотетичният гравитон (все още неоткрит) има спин 2. Отново теоретично са възможни по-високи завъртания.
Бозоните не се подчиняват на законите за опазване на броя, докато фермионите се подчиняват. Съществува също така "закон за запазване на лептоновото" число и "на кварковото" число, в допълнение към други запазени количества. Взаимодействието на основните частици се медиира от енергоносителите бозони.
Принцип за изключване на Паули
Принципът на Паули за изключване гласи, че не могат да съществуват едновременно две еднакви фермиони в едно и също квантово състояние. В макроскопичен мащаб това е като да се каже, че двама души не могат да заемат едно и също място по едно и също време (въпреки че е известно, че се борят с братя и сестри).
Това, което означава за електроните в атома е, че има само толкова много „места“ на всяко енергийно ниво. Ако атомът има много електрони, тогава много от тях трябва да попаднат в състояния с по-висока енергия, след като всички по-ниски състояния са пълни. Квантовото състояние на електрона е напълно описано от четирите му квантови числан, л, млимс. Нито два електрона в рамките на един атом не могат да имат еднакъв набор от стойности за тези числа.
Например, помислете за разрешени електронни състояния в атом. Най-ниската обвивка е свързана с квантово числон= 1. Възможните стойности налса тогава 0 и 1. Зал= 0, единствената възможна стойност намле 0. Зал = 1, млможе да бъде -1, 0 или 1. Тогавамс= + 1/2 или -1/2. Това прави следните комбинации възможни зан= 1 черупка:
- л = 0, мл = 0,
мс = 1/2 * л = 0,
мл = 0,
мс = -1/2 * л = 1,
мл = -1,
мс = 1/2 * л = 1,
мл = -1,
мс = -1/2 * л = 1,
мл = 0,
мс = 1/2 * л = 1,
мл = 0,
мс = -1/2
- л = 1,
мл = 1,
мс = 1/2 * л = 1,
мл = 1,
мс = -1/2
Следователно, ако атомът има повече от осем електрона, останалите от тях трябва да заемат по-високи черупки катон= 2 и така нататък.
Бозоновите частици не се подчиняват на принципа на Паули за изключване.
Експеримент на Щерн-Герлах
Най-известният експеримент за демонстриране на това, че електроните трябва да имат вътрешен ъглов импулс или спин, е експериментът на Щерн-Герлах. За да разберете как работи този експеримент, помислете, че зареден обект с ъглов момент трябва да има свързан магнитен момент. Това е така, защото магнитните полета се създават от движещ се заряд. Ако например изпратите ток през намотка от жица, ще се създаде магнитно поле, сякаш вътре в оста на намотката е разположен магнит с пръчка и е подравнен с него.
Извън атома електрон няма да има орбитален ъглов момент. (Тоест, освен ако не бъде преместен по кръгов път по някакъв друг начин.) Ако такъв електрон трябваше да се движи по права линия в положителниях-посока, би създало магнитно поле, което се увива около оста на своето движение в кръг. Ако такъв електрон е преминал през магнитно поле, подравнено сz-ос, пътят му трябва да се отклонява ву-насочване леко в резултат.
Въпреки това, когато преминава през това магнитно поле, електронен лъч се разделя на две вz-посока. Това може да се случи само ако електроните притежават вътрешен ъглов импулс. Вътрешният ъглов момент ще накара електроните да имат магнитен момент, който може да взаимодейства с приложеното магнитно поле. Фактът, че лъчът се разделя на две, показва две възможни ориентации за този вътрешен ъглов момент.
Подобен експеримент е извършен за пръв път от германските физици Ото Щерн и Валтер Герлах през 1922 година. В своя експеримент те преминали лъч от сребърни атоми (които нямат нетен магнитен момент поради орбитални ефекти) през магнитно поле и видяли лъча да се раздели на две.
Тъй като този експеримент даде да се разбере, че има точно две възможни ориентации на въртене, едната е отклонена нагоре и една която е била отклонена надолу, двете възможни ориентации на спин на повечето фермиони често се наричат „въртене нагоре“ и „завъртане надолу. "
Фино разделяне на структурата в водородния атом
Фино структурно разделяне на енергийни нива или спектрални линии във водороден атом е допълнително доказателство за електроните със спин и този спин с две възможни ориентации. В рамките на електронните орбитали на атом, всяка възможна комбинация отн, лимлидва с две възможнимсстойности.
Спомнете си, че в рамките на даден атом само много специфични дължини на вълните на фотоните могат да бъдат абсорбирани или излъчени в зависимост от разрешените, квантувани енергийни нива в този атом. Абсорбционните или емисионните спектри от даден атом се четат като баркод, който е специфичен за този атом.
Енергийните нива, свързани с различното завъртанемсстойности за фиксиранин, лимлса на много близко разстояние. Във водородния атом, когато спектралните емисионни линии бяха внимателно изследвани с висока разделителна способност, този т.нардублетбе наблюдаван. Това, което приличаше на единична емисионна линия, свързана само сн, лимлквантовите числа всъщност са две емисионни линии, което показва четвърто квантово число с две възможни стойности.