კვანტურ მექანიკაში, როგორც თქვენ ცდილობთ ანალოგიები გააკეთოთ კლასიკურ სიდიდეებსა და მათ კვანტურ ანალოგებს შორის, არც ისე იშვიათია ამ ანალოგების წარუმატებლობა. Spin ამის შესანიშნავი მაგალითია.
ელექტრონები და ატომური სტრუქტურა
იმისათვის, რომ გავიგოთ სპინი და შემდგომი განსხვავება ორბიტალური და შინაგანი კუთხოვანი იმპულსი, მნიშვნელოვანია გვესმოდეს ატომის სტრუქტურა და როგორ არის ელექტრონები განლაგებული მასში.
ატომის გამარტივებული ბორის მოდელი ელექტრონებს ისე განიხილავს, თითქოს ისინი პლანეტები არიან, რომლებიც გარშემო მოძრაობენ ცენტრალურ მასაზე, ბირთვზე. სინამდვილეში, ელექტრონები მოქმედებენ როგორც დიფუზური ღრუბლები, რომლებსაც შეუძლიათ მიიღონ სხვადასხვა ორბიტალური ნიმუში. იმის გამო, რომ ენერგეტიკული მდგომარეობები მათ შეუძლიათ დაიკავონ კვანტიზირებული, ან დისკრეტულია, არსებობს მკაფიო ორბიტალები ან რეგიონები, რომლებშიც არსებობს სხვადასხვა ელექტრონული ღრუბლები, სხვადასხვა ენერგეტიკული მნიშვნელობით.
გაითვალისწინეთ სიტყვაორბიტალურიიმის მაგივრადორბიტაზე. ეს ელექტრონები არ მოძრაობენ ორბიტაზე ლამაზი წრიული ნიმუშებით. ზოგიერთ ელექტრონს შეიძლება ჰქონდეს დიფუზური სფერული გარსი, მაგრამ სხვები იკავებენ მდგომარეობებს, რომლებიც ქმნიან განსხვავებულ შაბლონებს, ვიდრე ეს შეიძლება ჰგავდეს წვერას ან ტორას. ამ სხვადასხვა დონეს ან ორბიტალებს ხშირად ჭურვებსაც უწოდებენ.
ორბიტალი vs. შინაგანი კუთხოვანი მომენტი
იმის გამო, რომ ელექტრონები ტრიალებენ, მაგრამ ატომის ორბიტალში ასევე იკავებენ მდგომარეობას, მათ აქვთ ორი განსხვავებული კუთხოვანი მომენტი. ორბიტალური კუთხოვანი იმპულსი არის ელექტრონის მიერ მიღებული ღრუბლის ფორმის შედეგი. იგი შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც პლანეტის ორბიტული კუთხოვანი იმპულსის ანალოგი მზის შესახებ, რომ იგი გულისხმობს ელექტრონების მოძრაობას ცენტრალური მასის მიმართ.
მისი შინაგანი კუთხოვანი იმპულსი არის დატრიალება. მიუხედავად იმისა, რომ ეს შეიძლება მოვიაზროთ ორბიტაზე პლანეტის ბრუნვითი კუთხოვანი იმპულსის ანალოგიურად (ეს არის კუთხოვანი იმპულსი, რის შედეგადაც პლანეტა ბრუნავს საკუთარი ღერძის გარშემო), ეს არ არის სრულყოფილი ანალოგია, რადგან ელექტრონები წერტილად ითვლება მასები. მართალია აზრი აქვს მასას, რომელიც ადგილს იკავებს, რომ ჰქონდეს ბრუნვის ღერძი, მაგრამ აზრი არ აქვს წერტილს ჰქონდეს ღერძი. მიუხედავად ამისა, არსებობს თვისება, სახელწოდებით spin, რომელიც მოქმედებს ამ გზით. Spin ასევე ხშირად მოიხსენიება როგორც შიდა კუთხოვანი იმპულსი.
კვანტური რიცხვები ელექტრონებისთვის ატომებში
ატომის ფარგლებში, თითოეული ელექტრონი აღწერილია ოთხი კვანტური რიცხვით, რომლებიც გიჩვენებენ რა მდგომარეობაშია ეს ელექტრონი და რას აკეთებს ის. ეს კვანტური რიცხვები ძირითადი კვანტური რიცხვიან, აზიმუტალური კვანტური რიცხვილ, მაგნიტური კვანტური რიცხვიმდა ტრიალის კვანტური რიცხვის. ეს კვანტური რიცხვები სხვადასხვა გზით არის დაკავშირებული ერთმანეთთან.
ძირითადი კვანტური რიცხვი იღებს მთელი მნიშვნელობებს 1, 2, 3 და ა.შ. მნიშვნელობანმიუთითებს რომელ ელექტრონულ გარსს ან ორბიტალს იკავებს კონკრეტული ელექტრონი. უმაღლესი მნიშვნელობანკონკრეტული ატომისთვის არის რიცხვი, რომელიც უკავშირდება ყველაზე შორეულ გარსს.
აზიმუტალური კვანტური რიცხვილ, რომელიც ზოგჯერ მოხსენიებულია, როგორც კუთხოვანი კვანტური რიცხვი ან ორბიტალური კვანტური რიცხვი, აღწერს ასოცირებულ ქვესახურას. მას შეუძლია მიიღოს მთელი მნიშვნელობები 0-დანნ-1 სადნარის მთავარი კვანტური რიცხვი იმ გარსისთვის, რომელშიც ის მდებარეობს. დანლ, ორბიტალური კუთხოვანი იმპულსის სიდიდე შეიძლება განისაზღვროს ურთიერთობის საშუალებით:
L ^ 2 = \ hbar ^ 2l (l + 1)
სადლარის ელექტრონის ორბიტალური კუთხოვანი იმპულსი და ℏ არის შემცირებული პლანკის მუდმივა.
მაგნიტური კვანტური რიცხვიმ, ხშირად ეტიკეტირებულიმლიმის გასაგებად, რომ იგი ასოცირდება კონკრეტულ აზიმუტალურ კვანტურ რიცხვთან, იძლევა კუთხოვანი იმპულსის პროექციას. ქვეშედის შიგნით, კუთხოვანი იმპულსის ვექტორებს შეიძლება ჰქონდეთ გარკვეული დაშვებული ორიენტაციები დამლიარლიყებს, რომელი მათგანი აქვს კონკრეტულ ელექტრონს.მლშეუძლია მიიღოს მთელი მნიშვნელობები -ლდა +ლ.
ზოგადად, ტრიალის კვანტური რიცხვი აღინიშნება an- ითს. ყველა ელექტრონისთვის,ს= ½. ასოცირებული ნომერიმსიძლევა შესაძლო ორიენტაციასსიგივენაირადმლმისცა შესაძლო ორიენტაციებილ. შესაძლო მნიშვნელობებიმსარის მთელი რიცხვი-სდას. აქედან გამომდინარე, ელექტრონი ატომში,მსშეიძლება იყოს -½ ან + ½.
Spin კვანტიზირებულია ურთიერთობის საშუალებით:
S ^ 2 = \ hbar ^ 2s (s + 1)
სადსშინაგანი კუთხოვანი იმპულსია. აქედან იცისსშეუძლია მოგცეთ შინაგანი კუთხოვანი იმპულსი ისევე როგორც იცოდეთლშეუძლია მოგცეთ ორბიტალური კუთხოვანი იმპულსი. მაგრამ ისევ ატომების შიგნით ყველა ელექტრონს იგივე მნიშვნელობა აქვსს, რაც მას ნაკლებად ამაღელვებს.
ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი
ნაწილაკების ფიზიკა მიზნად ისახავს ყველა ფუნდამენტური ნაწილაკის მუშაობის გაგებას. სტანდარტული მოდელის კლასიფიკაცია ხდება ნაწილაკებადფერმიონებიდაბოზონები, შემდეგ კი შემდგომი კლასიფიკაცია ფერმიონებადკვარკებიდალეპტონებიდა ბოზონებშილიანდაგიდასკალარული ბოზონები.
ლეპტონები მოიცავსელექტრონები, ნეიტრინოებიდა სხვა უფრო ეგზოტიკური ნაწილაკები, როგორიცაამუონი,ტაუდა ასოცირებულიანტინაწილაკები. კვარკებში შედისზემოთ და ქვემოთ კვარკებირომ აერთიანებს და ქმნისნეიტრონებიდაპროტონები, ასევე დასახელებული კვარკებიზედა, ქვედა, უცნაურიდახიბლიდა მათთან დაკავშირებული ანტინაწილაკები.
ბოზონები მოიცავსფოტონი, რაც შუამავლებს ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებას;გლუონი,ზ0 ბოზონი,ვ+დავ-ბოზონები დაჰიგსიბოზონი
ყველა ფუნდამენტურ ფერმიონს აქვს დატრიალება 1/2, თუმცა ზოგიერთ ეგზოტიკურ კომბინაციაში შეიძლება დატრიალდეს 3/2 და თეორიულად უფრო მაღალი, მაგრამ ყოველთვის მთელი ჯერადი 1/2. ბოზონების უმეტესობას აქვს ტრიალი 1 გარდა ჰიგსის ბოზონისა, რომელსაც აქვს 0 ტრიალი. სავარაუდოა, რომ ჰიპოთეტური გრავიტონი (ჯერ არ არის აღმოჩენილი) დატრიალდეს 2. კვლავ შესაძლებელია თეორიულად უფრო მაღალი ტრიალი.
ბოსონები არ ემორჩილებიან რიცხვების შენარჩუნების კანონს, ხოლო ფერმიონები. ასევე არსებობს "ლეპტონის" და "კვარკის" რიცხვების შენარჩუნების კანონი, სხვა კონსერვირებული რაოდენობების გარდა. ფუნდამენტური ნაწილაკების ურთიერთქმედება ხდება ენერგიის მატარებელი ბოზონების საშუალებით.
პაულის გარიყვის პრინციპი
პაულის გამორიცხვის პრინციპი ამბობს, რომ ორ ერთნაირ ფერმიონს ერთდროულად ერთი და იგივე კვანტური მდგომარეობის დაკავება არ შეუძლია. მაკროსკოპული მასშტაბით, ეს ჰგავს იმის თქმას, რომ ორი ადამიანი ერთდროულად ვერ დაიკავებს ერთსა და იმავე ადგილს (თუმცა ცნობილი იყო, რომ ბრძოლა ძმებთან ერთად).
რაც ატომში არსებულ ელექტრონებს ნიშნავს, არის ის, რომ თითოეულ ენერგეტიკულ დონეზე მხოლოდ ამდენი ”ადგილია”. თუ ატომს აქვს ბევრი ელექტრონი, მაშინ ბევრი მათგანი უნდა დასრულდეს უფრო მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში, როდესაც ყველა ქვედა მდგომარეობა სრულდება. ელექტრონის კვანტური მდგომარეობა მთლიანად აღწერილია მისი ოთხი კვანტური რიცხვითნ, ლ, მლდამს. ერთ ატომში ორ ელექტრონს არ შეიძლება ჰქონდეს იგივე რიცხვის მნიშვნელობები ამ რიცხვებისთვის.
მაგალითად, განვიხილოთ დაშვებული ელექტრონული სახელმწიფოები ატომში. ყველაზე დაბალი გარსი ასოცირდება კვანტურ რიცხვთანნ= 1. შესაძლო მნიშვნელობებილშემდეგ არის 0 და 1. ამისთვისლ= 0, ერთადერთი შესაძლო მნიშვნელობამლარის 0 ამისთვისლ = 1, მლშეიძლება იყოს -1, 0 ან 1. შემდეგმს= + 1/2 ან -1/2. ეს საშუალებას აძლევს შემდეგ კომბინაციებსნ= 1 გარსი:
- ლ = 0, მლ = 0,
მს = 1/2 * ლ = 0,
მლ = 0,
მს = -1/2 * ლ = 1,
მლ = -1,
მს = 1/2 * ლ = 1,
მლ = -1,
მს = -1/2 * ლ = 1,
მლ = 0,
მს = 1/2 * ლ = 1,
მლ = 0,
მს = -1/2
- ლ = 1,
მლ = 1,
მს = 1/2 * ლ = 1,
მლ = 1,
მს = -1/2
ამიტომ, თუ ატომს რვა ელექტრონზე მეტი აქვს, დანარჩენებს უნდა ჰქონდეთ უფრო მაღალი გარსი, როგორიცაან= 2 და ა.შ.
ბოზონის ნაწილაკები არ ემორჩილებიან პაულის გამორიცხვის პრინციპს.
შტერნ-გერლახის ექსპერიმენტი
ყველაზე ცნობილი ექსპერიმენტი იმის საჩვენებლად, რომ ელექტრონებს უნდა ჰქონდეთ შინაგანი კუთხოვანი იმპულსი, ან ტრიალი, იყო შტერნ-გერლახის ექსპერიმენტი. იმის გასაგებად, თუ როგორ მუშაობდა ეს ექსპერიმენტი, ჩათვალეთ, რომ დამუხტულ ობიექტს კუთხის იმპულსით უნდა ჰქონდეს ასოცირებული მაგნიტური მომენტი. ეს იმიტომ ხდება, რომ მაგნიტური ველები იქმნება მოძრავი მუხტით. მაგალითად, თუ მავთულის კოჭით აგზავნით დენადობას, მაგნიტური ველი შეიქმნება ისე, თითქოს ბარიერის მაგნიტი იჯდეს შიგნით და გასწორებულიყო კოჭის ღერძზე.
ატომის გარეთ ელექტრონს არ ექნება ორბიტალური კუთხოვანი იმპულსი. (ანუ, თუ ის წრიულ ბილიკზე არ გადაადგილდება რაიმე სხვა საშუალებით.) თუ ასეთი ელექტრონი სწორ ხაზზე იმოძრავებს დადებითშიx- მიმართულება, ის შექმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც წრეში იხვევს მისი მოძრაობის ღერძს. თუ ასეთ ელექტრონს გაივლიდნენ მაგნიტურ ველში გასწორებულიზაქსი, მისი გზა უნდა გადაუხვიოთy- შედეგად ოდნავ მიმართულება.
ამასთან, ამ მაგნიტურ ველში გავლისას, ელექტრონის სხივი ორად იყოფაზ-მიმართულება. ეს მხოლოდ მაშინ შეიძლება მოხდეს, თუ ელექტრონები ფლობენ შინაგან კუთხოვან იმპულსს. შინაგანი კუთხოვანი იმპულსი გამოიწვევს ელექტრონების მაგნიტურ მომენტს, რომელსაც შეუძლია ურთიერთქმედება გამოყენებულ მაგნიტურ ველთან. ის ფაქტი, რომ სხივი იყოფა ორად, მიუთითებს ამ შესაძლო კუთხოვანი იმპულსის ორ შესაძლო ორიენტაციაზე.
მსგავსი ექსპერიმენტი პირველად ჩაატარეს გერმანელმა ფიზიკოსებმა ოტო შტერნმა და ვალტერ გერლახმა 1922 წელს. მათმა ექსპერიმენტმა მათ გაიარეს ვერცხლის ატომების სხივი (რომლებსაც არ აქვთ წმინდა მაგნიტური მომენტი ორბიტალური ეფექტის გამო) მაგნიტური ველის გავლით და ნახეს სხივი ორად გაყოფილი.
მას შემდეგ, რაც ამ ექსპერიმენტმა ცხადყო, რომ შესაძლებელი იყო ზუსტად ორი spin ორიენტაცია, ერთი, რომელიც გადაიხარა ზემოთ და ერთი რომელიც გადაადგილდა ქვევით, ყველაზე მეტი ფერმიონის ორი შესაძლო დატრიალების ორიენტაცია ხშირად მოიხსენიება როგორც "spin up" და "spin ქვემოთ. ”
წყალბადის ატომში გაყოფილი წვრილი სტრუქტურა
წყალბადის ატომში ენერგიის დონის ან სპექტრული ხაზების წვრილი სტრუქტურის გაყოფა კიდევ ერთი დადასტურება იყო ელექტრონების დატრიალებისა და ტრიალის ორი შესაძლო ორიენტაციისა. ატომის ელექტრონულ ორბიტალებში შესაძლებელია ყველა შესაძლო კომბინაციან, ლდამლგააჩნია ორი შესაძლომსღირებულებებს.
შეგახსენებთ, რომ მოცემულ ატომში, მხოლოდ ფოტონის ძალიან სპეციფიკური ტალღის სიგრძე შეიძლება შეიწოვება ან გამოიყოფა, რაც დამოკიდებულია ამ ატომის დაშვებული, კვანტიზირებული ენერგიის დონებზე. მოცემული ატომიდან შთანთქმის ან გამონაბოლქვის სპექტრები წაიკითხავს შტრიხ კოდს, რომელიც სპეციფიკურია ამ ატომისთვის.
სხვადასხვა ტრიალთან დაკავშირებული ენერგიის დონემსმნიშვნელობები ფიქსირებულინ, ლდამლძალიან მჭიდროდ არიან დაშორებული. წყალბადის ატომში, როდესაც სპექტრალური ემისიის ხაზები მჭიდროდ იქნა შესწავლილი მაღალი რეზოლუციით, ეს ე.წ.ორმაგიდაფიქსირდა. ემისიის ერთ სტრიქონს ჰგავდან, ლდამლკვანტური რიცხვები სინამდვილეში ორი გამონაბოლქვი იყო, რაც მიუთითებს მეოთხე კვანტურ რიცხვზე ორი შესაძლო მნიშვნელობით.