양자 역학에서 고전적 양과 양자에 상응하는 양을 유추하려고 할 때 이러한 유추가 실패하는 것은 드문 일이 아닙니다. 스핀은 이것의 완벽한 예입니다.
전자와 원자 구조
스핀과 궤도 및 고유 각도의 후속 구별을 이해하기 위해 운동량, 원자의 구조와 전자가 어떻게 배열되는지 이해하는 것이 중요합니다 그 안에.
원자의 단순화 된 보어 모델은 전자를 중심 질량 인 핵을 공전하는 행성 인 것처럼 취급합니다. 그러나 실제로 전자는 여러 가지 다른 궤도 패턴을 취할 수있는 확산 구름 역할을합니다. 그들이 차지할 수있는 에너지 상태는 양자화되거나 이산되기 때문에 다른 전자 구름이 다른 에너지 값에 존재하는 별개의 궤도 또는 영역이 있습니다.
단어 참고궤도 함수대신에궤도. 이 전자들은 멋진 원형 패턴으로 궤도를 돌지 않습니다. 일부 전자는 확산 구형 껍질을 차지할 수 있지만 다른 전자는 바벨 또는 토러스처럼 보이는 것과 다른 패턴을 생성하는 상태를 차지합니다. 이러한 다양한 레벨 또는 궤도는 종종 포탄이라고도합니다.
궤도 대. 고유 각운동량
전자는 스핀을 가지고 있지만 원자 궤도에서 상태를 차지하기 때문에 두 개의 서로 다른 각운동량을 가지고 있습니다. 궤도 각운동량은 전자가 차지하는 구름 모양의 결과입니다. 그것은 중심 질량에 대한 전자 운동을 의미한다는 점에서 태양에 대한 행성의 궤도 각운동량과 유사하다고 생각할 수 있습니다.
본질적인 각운동량은 스핀입니다. 이것은 궤도를 도는 행성의 회전 각운동량 (즉, 각운동량)과 유사하다고 생각할 수 있습니다. 자신의 축을 중심으로 회전하는 행성에서 발생하는 운동량) 전자가 점으로 간주되기 때문에 이것은 완벽한 비유가 아닙니다. 대중. 공간을 차지하는 질량이 회전축을 갖는 것은 의미가 있지만 점이 축을 갖는 것은 실제로 의미가 없습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 방식으로 작동하는 spin이라는 속성이 있습니다. 스핀은 종종 고유 각운동량이라고도합니다.
원자의 전자에 대한 양자 수
원자 내에서 각 전자는 전자가 어떤 상태에 있고 무엇을하고 있는지 알려주는 4 개의 양자 수로 설명됩니다. 이 양자 수는 주요 양자 수입니다.
엔, 방위각 양자 수엘, 자기 양자 수미디엄그리고 스핀 양자 수에스. 이러한 양자 수는 서로 다른 방식으로 관련되어 있습니다.주 양자 수는 1, 2, 3 등의 정수 값을 갖습니다. 의 가치엔특정 전자가 차지하는 전자 껍질 또는 궤도를 나타냅니다. 가장 높은 가치엔특정 원자의 경우 가장 바깥 쪽 껍질과 관련된 숫자입니다.
방위각 양자 수엘각양 자수 또는 궤도 양자 수라고도하는는 연관된 서브 쉘을 설명합니다. 0에서 정수 값을 취할 수 있습니다.엔-1 여기서엔그것이있는 쉘의 주요 양자 번호입니다. 에서엘, 궤도 각운동량의 크기는 다음 관계를 통해 결정될 수 있습니다.
L ^ 2 = \ hbar ^ 2l (l + 1)
어디엘전자의 궤도 각운동량이고 ℏ은 감소 된 플랑크 상수입니다.
자기 양자 수미디엄, 종종 라벨이 지정됨미디엄엘특정 방위각 양자 수와 연관되어 있음을 명확히하기 위해 각운동량의 투영을 제공합니다. 서브 쉘 내에서 각운동량 벡터는 특정 허용 방향을 가질 수 있습니다.미디엄엘특정 전자가 가진 것을 표시합니다.미디엄엘-사이의 정수 값을 가질 수 있습니다.엘그리고 +엘.
일반적으로 스핀 양자 수는에스. 그러나 모든 전자의 경우에스= ½. 관련 번호미디엄에스가능한 방향을 제공합니다에스같은 방법으로미디엄엘가능한 방향을 제공엘. 가능한 값미디엄에스사이의 정수 증분-에스과에스. 따라서 원자에있는 전자의 경우미디엄에스-½ 또는 + ½이 될 수 있습니다.
스핀은 다음 관계를 통해 양자화됩니다.
S ^ 2 = \ hbar ^ 2s (s + 1)
어디에스본질적인 각운동량입니다. 따라서 알고에스아는 것처럼 고유의 각운동량을 줄 수 있습니다.엘당신에게 궤도 각운동량을 줄 수 있습니다. 그러나 다시, 원자 내에서 모든 전자는에스, 덜 흥미 롭습니다.
입자 물리학의 표준 모델
입자 물리학은 모든 기본 입자의 작동을 이해하는 것을 목표로합니다. 표준 모델은 입자를 다음과 같이 분류합니다.Fermions과Bosons, 페르미온을 다음과 같이 추가로 분류합니다.쿼크과Leptons, 및 bosons계량기과스칼라 보손.
렙톤에는전자, 중성미자그리고 다른 더 이국적인 입자Muon,타우및 관련반입자. Quark에는위아래 쿼크결합하여 형성중성자과양성자, 쿼크 이름상단, 바닥, 이상한과매력및 관련 반입자.
Bosons에는광자, 전자기 상호 작용을 매개합니다. 그만큼글루온,지0 Boson,W+과W-bosons 및힉스boson.
기본 페르미온은 모두 스핀 1/2을 갖지만 일부 이국적인 조합은 스핀 3/2 이상 이론적으로 더 높지만 항상 1/2의 정수 배수를 가질 수 있습니다. 대부분의 보손은 스핀이 0 인 힉스 보손을 제외하고는 1 번 스핀을가집니다. 가상 중력자 (아직 발견되지 않음)는 스핀 2를 가질 것으로 예상됩니다. 다시 말하지만 이론적으로 더 높은 스핀이 가능합니다.
Bosons는 숫자 보존법을 준수하지 않지만 fermions는 준수합니다. 또한 다른 보존 수량 외에도 "렙톤 보존 법칙"및 "쿼크"번호가 있습니다. 기본 입자의 상호 작용은 에너지를 운반하는 보손에 의해 매개됩니다.
Pauli 제외 원칙
Pauli 배제 원칙에 따르면 두 개의 동일한 페르미온이 동시에 동일한 양자 상태를 차지할 수 없습니다. 거시적으로 보면 두 사람이 동시에 같은 장소를 차지할 수 없다고 말하는 것과 같습니다 (싸우는 형제 자매가 시도하는 것으로 알려져 있지만).
이것이 원자의 전자에 대해 의미하는 것은 각 에너지 수준에서“좌석”이 너무 많다는 것입니다. 원자에 많은 전자가있는 경우 낮은 상태가 모두 가득 차면 많은 전자가 더 높은 에너지 상태가되어야합니다. 전자의 양자 상태는 4 개의 양자 수로 완전히 설명됩니다.엔, 엘, 미디엄엘과미디엄에스. 단일 원자 내의 두 전자는 해당 숫자에 대해 동일한 값 집합을 가질 수 없습니다.
예를 들어 원자에서 허용되는 전자 상태를 고려하십시오. 가장 낮은 쉘은 양자 수와 연관됩니다.엔= 1. 가능한 값엘0과 1입니다. 에 대한엘= 0, 가능한 유일한 값미디엄엘0입니다. 에 대한엘 = 1, 미디엄엘-1, 0 또는 1 일 수 있습니다. 그때미디엄에스= + 1/2 또는 -1/2. 이것은 다음과 같은 조합을 가능하게합니다.엔= 쉘 1 개 :
- 엘 = 0, 미디엄엘 = 0,
미디엄에스 = 1/2 * 엘 = 0,
미디엄엘 = 0,
미디엄에스 = -1/2 * 엘 = 1,
미디엄엘 = -1,
미디엄에스 = 1/2 * 엘 = 1,
미디엄엘 = -1,
미디엄에스 = -1/2 * 엘 = 1,
미디엄엘 = 0,
미디엄에스 = 1/2 * 엘 = 1,
미디엄엘 = 0,
미디엄에스 = -1/2
- 엘 = 1,
미디엄엘 = 1,
미디엄에스 = 1/2 * 엘 = 1,
미디엄엘 = 1,
미디엄에스 = -1/2
따라서 원자에 8 개 이상의 전자가 있으면 나머지는 다음과 같은 더 높은 껍질을 차지해야합니다.엔= 2 등등.
Boson 입자는 Pauli 배제 원칙을 따르지 않습니다.
Stern-Gerlach 실험
전자가 고유의 각운동량 또는 스핀을 가져야 함을 입증하는 가장 유명한 실험은 Stern-Gerlach 실험입니다. 이 실험이 어떻게 작동했는지 이해하기 위해 각운동량을 가진 대전 된 물체는 연관된 자기 모멘트를 가져야한다고 생각해보십시오. 이는 전하를 이동하여 자기장이 생성되기 때문입니다. 예를 들어 와이어 코일을 통해 전류를 보내면 마치 막대 자석이 코일의 축 내부에 배치되고 정렬 된 것처럼 자기장이 생성됩니다.
원자 외부에서 전자는 궤도 각운동량을 갖지 않습니다. (즉, 다른 수단에 의해 원형 경로로 이동하지 않는 한) 그러한 전자가 양의 직선으로 이동한다면엑스-방향, 그것은 원의 운동 축 주위를 감싸는 자기장을 생성합니다. 그러한 전자가 자기장을 통과하면지축의 경우 경로가와이-결과적으로 약간의 방향.
그러나이 자기장을 통과하면 전자빔이지-방향. 이것은 전자가 고유의 각운동량을 가질 때만 발생할 수 있습니다. 고유 각운동량은 전자가 적용된 자기장과 상호 작용할 수있는 자기 모멘트를 갖도록합니다. 빔이 두 개로 분할된다는 사실은이 고유 각운동량에 대해 두 가지 가능한 방향을 나타냅니다.
비슷한 실험이 1922 년 독일 물리학 자 오토 스턴과 발터 게를 라흐에 의해 처음 수행되었습니다. 실험에서 그들은 자기장을 통해은 원자 빔 (궤도 효과로 인해 순 자기 모멘트가 없음)을 통과시키고 빔이 둘로 분할되는 것을 보았습니다.
이 실험은 정확히 두 가지 가능한 스핀 방향이 있음을 분명히했기 때문에 하나는 위쪽으로 편향되고 다른 하나는 대부분의 페르미온에서 가능한 두 가지 스핀 방향은 종종 "스핀 업"및 "스핀 하위."
수소 원자의 미세 구조 분할
수소 원자에서 에너지 레벨 또는 스펙트럼 라인의 미세한 구조 분할은 전자가 스핀을 갖고 있고 그 스핀이 두 가지 가능한 방향을 가지고 있다는 증거입니다. 원자의 전자 궤도 내에서 가능한 모든 조합엔, 엘과미디엄엘두 가지 가능미디엄에스가치.
주어진 원자 내에서 허용되는 양자화 된 에너지 수준에 따라 매우 특정한 파장의 광자 만 흡수되거나 방출 될 수 있음을 상기하십시오. 특정 원자의 흡수 또는 방출 스펙트럼은 해당 원자에 고유 한 바코드처럼 읽습니다.
다른 스핀과 관련된 에너지 수준미디엄에스고정 값엔, 엘과미디엄엘매우 가까운 간격입니다. 수소 원자에서 스펙트럼 방출 선을 고해상도로 면밀히 조사했을 때 이것을 소위이중선관찰되었다. 단지 하나의 방출 선처럼 보이는 것은엔, 엘과미디엄엘양자 수는 실제로 두 개의 방출 선으로, 두 개의 가능한 값을 가진 네 번째 양자 수를 나타냅니다.