Dalam mekanika kuantum, saat Anda mencoba membuat analogi antara besaran klasik dan rekanan kuantumnya, tidak jarang analogi tersebut gagal. Spin adalah contoh sempurna untuk ini.
Elektron dan Struktur Atom
Untuk memahami spin dan perbedaan selanjutnya antara orbital dan sudut intrinsik momentum, penting untuk memahami struktur atom dan bagaimana elektron diatur didalamnya.
Model atom Bohr yang disederhanakan memperlakukan elektron seolah-olah mereka adalah planet yang mengorbit sebuah massa pusat, nukleus. Namun pada kenyataannya, elektron bertindak sebagai awan difus yang dapat mengambil sejumlah pola orbital yang berbeda. Karena keadaan energi yang dapat mereka tempati terkuantisasi, atau diskrit, ada orbital atau daerah berbeda yang terdapat awan elektron berbeda pada nilai energi yang berbeda.
Perhatikan kataorbitdari padaorbit. Elektron ini tidak mengorbit dalam pola melingkar yang bagus. Beberapa elektron mungkin menempati kulit bola yang menyebar, tetapi yang lain menempati keadaan yang menciptakan pola yang berbeda dari yang mungkin terlihat seperti barbel atau torus. Tingkat atau orbital yang berbeda ini sering disebut sebagai kulit juga.
Orbital vs. Momentum Sudut Intrinsik
Karena elektron memiliki spin, tetapi juga menempati keadaan dalam orbital atom, mereka memiliki dua momen sudut berbeda yang terkait dengannya. Momentum sudut orbital adalah hasil dari bentuk awan yang ditempati elektron. Ini dapat dianggap sebagai analog dengan momentum sudut orbital sebuah planet tentang matahari yang mengacu pada gerakan elektron sehubungan dengan massa pusat.
Momentum sudut intrinsiknya adalah putarannya. Sementara ini dapat dianggap sebagai analog dengan momentum sudut rotasi planet yang mengorbit (yaitu, sudut momentum yang dihasilkan dari sebuah planet yang berputar pada porosnya sendiri), ini bukan analogi yang sempurna karena elektron dianggap titik massa. Meskipun masuk akal untuk massa yang membutuhkan ruang untuk memiliki sumbu rotasi, tidak masuk akal jika suatu titik memiliki sumbu. Apapun, ada properti, yang disebut spin, yang bertindak dengan cara ini. Spin juga sering disebut sebagai momentum sudut intrinsik.
Bilangan Kuantum untuk Elektron dalam Atom
Di dalam atom, setiap elektron dijelaskan oleh empat bilangan kuantum yang memberi tahu Anda status elektron dan apa yang dilakukannya. Bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utamatidak, bilangan kuantum azimutaku, bilangan kuantum magnetiksayadan bilangan kuantum spins. Bilangan kuantum ini terkait satu sama lain dengan cara yang berbeda.
Bilangan kuantum utama mengambil nilai bilangan bulat dari 1, 2, 3 dan seterusnya. Nilai daritidakmenunjukkan kulit atau orbital elektron mana yang ditempati elektron tertentu. Nilai tertinggi daritidakuntuk atom tertentu adalah nomor yang terkait dengan kulit terluar.
Bilangan kuantum azimutaku, yang kadang-kadang disebut sebagai bilangan kuantum sudut atau bilangan kuantum orbital, menjelaskan subkulit terkait. Itu dapat mengambil nilai integer dari 0 hinggatidak-1 dimanatidakadalah bilangan kuantum utama untuk kulit tempat ia berada. Dariaku, besarnya momentum sudut orbital dapat ditentukan melalui hubungan:
L^2=\hbar^2l (l+1)
DimanaLadalah momentum sudut orbital elektron dan adalah konstanta Planck tereduksi.
Bilangan kuantum magnetiksaya, sering diberi labelsayaakuuntuk memperjelas bahwa itu terkait dengan bilangan kuantum azimut tertentu, berikan proyeksi momentum sudut. Dalam subkulit, vektor momentum sudut dapat memiliki orientasi tertentu yang diizinkan, dansayaakulabel yang dimiliki elektron tertentu.sayaakudapat mengambil nilai integer antara -akudan +aku.
Secara umum, bilangan kuantum spin dilambangkan dengan ans. Untuk semua elektron, bagaimanapun,s= ½. Nomor terkaitsayasmemberikan kemungkinan orientasi darisdi jalan yang samasayaakumemberikan kemungkinan orientasi dariaku. Nilai yang mungkin darisayasadalah kelipatan bilangan bulat antara-sdans. Oleh karena itu untuk elektron dalam atom,sayasdapat berupa -½ atau +½.
Spin dikuantisasi melalui hubungan:
S^2=\hbar^2s (s+1)
dimanaSadalah momentum sudut intrinsik. Oleh karena itu mengetahuisdapat memberi Anda momentum sudut intrinsik sama seperti mengetahuiakudapat memberi Anda momentum sudut orbital. Tetapi sekali lagi, di dalam atom semua elektron memiliki nilai same yang samas, yang membuatnya kurang menarik.
Model Standar Fisika Partikel
Fisika partikel bertujuan untuk memahami cara kerja semua partikel fundamental. Model standar mengklasifikasikan partikel menjadifermiondanboson, dan selanjutnya mengklasifikasikan fermion menjadiquarkdanlepton, dan boson menjadimengukurdanskalar boson.
Lepton termasukelektron, neutrinodan partikel lain yang lebih eksotis sepertimuon, itutaudan terkaitantipartikel. Quark termasukquark atas dan bawahyang bergabung membentukneutrondanproton, serta quark bernamapuncak, bawah, anehdanpesonadan antipartikel terkait.
Boson termasukfoton, yang memediasi interaksi elektromagnetik; itugluon, ituZ0 boson, ituW+danW-boson danhiggsboson.
Fermion fundamental semuanya memiliki putaran 1/2, meskipun beberapa kombinasi eksotis dapat memiliki putaran 3/2 dan secara teoritis lebih tinggi, tetapi selalu merupakan kelipatan bilangan bulat 1/2. Kebanyakan boson memiliki putaran 1 kecuali boson Higgs, yang memiliki putaran 0. Graviton hipotetis (belum ditemukan) diperkirakan memiliki putaran 2. Sekali lagi, putaran yang lebih tinggi secara teoritis dimungkinkan.
Boson tidak mematuhi hukum kekekalan bilangan sedangkan fermion melakukannya. Ada juga "hukum kekekalan bilangan lepton" dan bilangan "quark", di samping besaran-besaran yang dilestarikan lainnya. Interaksi partikel fundamental dimediasi oleh boson pembawa energi.
Prinsip Pengecualian Pauli
Prinsip pengecualian Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua fermion identik yang dapat menempati keadaan kuantum yang sama pada waktu yang sama. Dalam skala makroskopis, ini seperti mengatakan dua orang tidak dapat menempati tempat yang sama pada waktu yang sama (walaupun saudara kandung yang berkelahi telah diketahui mencoba).
Apa artinya ini bagi elektron dalam sebuah atom adalah bahwa hanya ada begitu banyak "tempat duduk" di setiap tingkat energi. Jika sebuah atom memiliki banyak elektron, maka banyak dari mereka harus berakhir di tingkat energi yang lebih tinggi setelah semua keadaan yang lebih rendah penuh. Keadaan kuantum elektron sepenuhnya dijelaskan oleh empat bilangan kuantumnyatidak, aku, sayaakudansayas. Tidak ada dua elektron dalam satu atom dapat memiliki set nilai yang sama untuk angka-angka itu.
Misalnya, pertimbangkan keadaan elektron yang diizinkan dalam sebuah atom. Kulit terendah dikaitkan dengan bilangan kuantumtidak= 1. Nilai yang mungkin dariakumaka 0 dan 1. Untukaku= 0, satu-satunya nilai yang mungkin darisayaakuadalah 0. Untukaku = 1, sayaakubisa -1, 0 atau 1. Kemudiansayas= + 1/2 atau -1/2. Hal ini memungkinkan kombinasi berikut untuktidak= 1 kulit:
- aku = 0, sayaaku = 0,
sayas = 1/2 * aku = 0,
sayaaku = 0,
sayas = -1/2 * aku = 1,
sayaaku = -1,
sayas = 1/2 * aku = 1,
sayaaku = -1,
sayas = -1/2 * aku = 1,
sayaaku = 0,
sayas = 1/2 * aku = 1,
sayaaku = 0,
sayas = -1/2
- aku = 1,
sayaaku = 1,
sayas = 1/2 * aku = 1,
sayaaku = 1,
sayas = -1/2
Oleh karena itu, jika sebuah atom memiliki lebih dari delapan elektron, sisanya harus menempati kulit yang lebih tinggi seperti:tidak= 2 dan seterusnya.
Partikel boson tidak mematuhi prinsip pengecualian Pauli.
Eksperimen Stern-Gerlach
Eksperimen paling terkenal untuk mendemonstrasikan bahwa elektron harus memiliki momentum sudut intrinsik, atau spin, adalah eksperimen Stern-Gerlach. Untuk memahami bagaimana percobaan ini bekerja, pertimbangkan bahwa benda bermuatan dengan momentum sudut harus memiliki momen magnet yang terkait. Ini karena medan magnet diciptakan oleh muatan yang bergerak. Jika Anda mengirim arus melalui kumparan kawat, misalnya, medan magnet akan dibuat seolah-olah ada magnet batang duduk di dalam, dan sejajar dengan sumbu kumparan.
Di luar atom, elektron tidak akan memiliki momentum sudut orbital. (Yaitu, kecuali jika dipindahkan dalam jalur melingkar dengan beberapa cara lain.) Jika elektron seperti itu bergerak dalam garis lurus di kutub positifx-arah, itu akan menciptakan medan magnet yang membungkus sumbu gerakannya dalam lingkaran. Jika elektron seperti itu dilewatkan melalui medan magnet yang sejajar denganz-sumbu, jalurnya harus menyimpang dikamu-arah sedikit sebagai hasilnya.
Namun, ketika melewati medan magnet ini, berkas elektron terbelah menjadi dua diz-arah. Ini hanya bisa terjadi jika elektron memiliki momentum sudut intrinsik. Momentum sudut intrinsik akan menyebabkan elektron memiliki momen magnet yang dapat berinteraksi dengan medan magnet yang diberikan. Fakta bahwa berkas terbelah menjadi dua menunjukkan dua kemungkinan orientasi untuk momentum sudut intrinsik ini.
Eksperimen serupa pertama kali dilakukan oleh fisikawan Jerman Otto Stern dan Walter Gerlach pada tahun 1922. Dalam percobaan mereka, mereka melewati seberkas atom perak (yang tidak memiliki momen magnet bersih karena efek orbital) melalui medan magnet dan melihat berkas terbelah menjadi dua.
Karena eksperimen ini memperjelas bahwa ada tepat dua kemungkinan orientasi putaran, satu yang dibelokkan ke atas dan satu yang dibelokkan ke bawah, dua kemungkinan orientasi putaran dari sebagian besar fermion sering disebut sebagai “spin up” dan “spin turun."
Pemisahan Struktur Halus dalam Atom Hidrogen
Pemisahan struktur halus tingkat energi atau garis spektral dalam atom hidrogen adalah bukti lebih lanjut dari elektron yang memiliki spin, dan spin itu memiliki dua kemungkinan orientasi. Dalam orbital elektron atom, setiap kemungkinan kombinasi daritidak, akudansayaakudatang dengan dua kemungkinansayasnilai-nilai.
Ingatlah bahwa dalam atom tertentu, hanya panjang gelombang foton yang sangat spesifik yang dapat diserap atau dipancarkan, tergantung pada tingkat energi terkuantisasi yang diizinkan di dalam atom itu. Spektrum serapan atau emisi dari atom tertentu terbaca seperti kode batang yang khusus untuk atom itu.
Tingkat energi yang terkait dengan putaran yang berbedasayasnilai untuk tetaptidak, akudansayaakujaraknya sangat dekat. Dalam atom hidrogen, ketika garis emisi spektral diperiksa dengan cermat pada resolusi tinggi, apa yang disebutsepasang benda yg samadiamati. Apa yang tampak seperti garis emisi tunggal yang terkait hanya dengantidak, akudansayaakubilangan kuantum sebenarnya adalah dua garis emisi, yang menunjukkan bilangan kuantum keempat dengan dua kemungkinan nilai.