Kvantinėje mechanikoje bandant sukurti analogijas tarp klasikinių dydžių ir jų kvantinių atitikmenų, neretai šios analogijos žlunga. „Spin“ yra puikus to pavyzdys.
Elektronai ir atominė struktūra
Norint suprasti sukimąsi ir paskesnį skirtumą tarp orbitos ir vidinio kampo impulsą, svarbu suprasti atomo struktūrą ir tai, kaip išsidėstę elektronai joje.
Supaprastintas Bohro atomo modelis elgiasi su elektronais taip, tarsi jos būtų planetos, skriejančios aplink centrinę masę - branduolį. Tačiau iš tikrųjų elektronai veikia kaip išsklaidyti debesys, galintys įgyti daugybę skirtingų orbitos modelių. Kadangi energetinės būsenos, kurias jie gali užimti, yra kiekybiškai įvertintos arba diskrečios, yra skirtingų orbitalių ar regionų, kuriuose skirtingi elektronų debesys egzistuoja esant skirtingoms energijos vertėms.
Atkreipkite dėmesį į žodįorbitavietojOrbita. Šie elektronai nesisuka gražiais apskrito raštais. Kai kurie elektronai gali užimti difuzinį sferinį apvalkalą, tačiau kiti užima valstybes, kurios sukuria kitokius modelius, nei gali atrodyti kaip štanga ar toras. Šie skirtingi lygiai ar orbitos dažnai vadinami ir kriauklėmis.
Orbita vs. Vidinis kampinis momentas
Kadangi elektronai sukasi, bet taip pat užima būseną atomo orbitoje, jie turi du skirtingus kampinius momentus. Orbitinis kampinis impulsas yra debesies, kurį užima elektronas, formos rezultatas. Tai galima laikyti analogišku planetos orbitaliniam kampiniam impulsui apie saulę, nes tai reiškia elektronų judėjimą centrinės masės atžvilgiu.
Jo vidinis kampinis impulsas yra jo sukimas. Nors tai galima laikyti analogišku orbitoje esančios planetos sukamuoju kampiniu impulsu (tai yra kampinis aplink savo ašį besisukančios planetos impulsą), tai nėra tobula analogija, nes elektronai laikomi tašku mišių. Nors prasminga, kad masė, užimanti erdvę, turėtų sukimosi ašį, tačiau taško turėti ašį nėra prasmės. Nepaisant to, yra savybė, vadinama sukiniu, kuri veikia taip. Sukimas taip pat dažnai vadinamas vidiniu kampiniu momentu.
Kvantiniai elektronų skaičiai atomuose
Atomo viduje kiekvieną elektroną apibūdina keturi kvantiniai skaičiai, kurie nurodo, kokioje būsenoje yra tas elektronas ir ką jis veikia. Šie kvantiniai skaičiai yra pagrindinis kvantinis skaičiusn, azimutinis kvantinis skaičiusl, magnetinis kvantinis skaičiusmir sukinio kvantinis skaičiuss. Šie kvantiniai skaičiai yra tarpusavyje susiję skirtingais būdais.
Pagrindinis kvantinis skaičius įgauna sveikas skaičius 1, 2, 3 ir pan. Vertėnnurodo, kurį elektronų apvalkalą ar orbitą užima konkretus elektronas. Didžiausia vertėntam tikras atomas yra skaičius, susietas su atokiausiu apvalkalu.
Azimutinis kvantinis skaičiusl, kuris kartais vadinamas kampiniu kvantiniu skaičiumi arba orbitos kvantiniu skaičiumi, apibūdina susijusį potinkį. Tai gali įgyti sveikųjų skaičių reikšmes nuo 0 ikin-1 kurnyra pagrindinis apvalkalo, kuriame jis yra, kvantinis skaičius. Nuol, orbitos kampinio impulso dydį galima nustatyti pagal santykį:
L ^ 2 = \ hbar ^ 2l (l + 1)
KurLyra orbitos elektrono kampinis impulsas, o ℏ yra sumažinta Plancko konstanta.
Magnetinis kvantinis skaičiusm, dažnai paženklintimlkad būtų aišku, jog jis siejamas su tam tikru azimutiniu kvantiniu skaičiumi, pateikiama kampinio impulso projekcija. Po apvalkalu kampinio impulso vektoriai gali turėti tam tikras leistinas orientacijas irmlžymi, kurį iš tų elektronų jis turi.mlgali įgyti sveikųjų skaičių reikšmes tarp -lir +l.
Apskritai sukimo kvantinis skaičius žymimas ans. Visiems elektronams, tačiaus= ½. Susietas numerismspateikia galimas orientacijasstuo pačiu būdumldavė galimas orientacijasl. Galimosmsyra sveikojo skaičiaus žingsniai tarp-sirs. Taigi atomo elektronui,msgali būti -½ arba + ½.
Sukimasis skaičiuojamas santykiu:
S ^ 2 = \ hbar ^ 2s (s + 1)
kurSyra vidinis kampinis impulsas. Vadinasi, žinantisgali suteikti jums vidinį kampinį impulsą kaip ir žinojimaslgali suteikti jums orbitos kampinį impulsą. Bet vėlgi, atomuose visi elektronai turi tą pačią reikšmęs, todėl tai mažiau jaudina.
Standartinis dalelių fizikos modelis
Dalelių fizika siekiama suprasti visų pagrindinių dalelių veikimą. Standartiniame modelyje dalelės klasifikuojamos įfermionaiirbozonai, o tada dar labiau klasifikuoja fermionus įkvarkaiirleptonaiir bozonai įmatuoklisirskaliariniai bozonai.
Leptonai apimaelektronai, neutrinaiir kitos egzotiškesnės dalelės, tokios kaipmuonas,tauir susijęantidalelės. Kvarkai apimaaukštyn ir žemyn kvarkaikad susijungia į formąneutronaiirprotonai, taip pat įvardyti kvarkaiviršuje, dugnas, keistairžavesioir su jais susijusias daleles.
Bosonai apimafotonas, kuri tarpininkauja elektromagnetinei sąveikai;gluonas,Z0 bozonas,W+irW-bozonai irHiggsbozonas.
Visi pagrindiniai fermionai turi sukinį 1/2, nors kai kurie egzotiški deriniai gali būti sukami 3/2 ir teoriškai didesni, bet visada sveiko skaičiaus kartotiniai iš 1/2. Daugelio bozonų sukimas yra 1, išskyrus Higso bozoną, kurio sukimasis yra 0. Prognozuojama, kad hipotetinis gravitonas (dar neatrastas) sukasi 2. Vėlgi, teoriškai galimi didesni sukimai.
Bosonai nesilaiko skaičių išsaugojimo įstatymų, o fermionai. Be kitų konservuotų kiekių, taip pat yra „leptono skaičiaus išsaugojimo įstatymas“ ir „kvarko“ skaičiaus įstatymas. Pagrindinių dalelių sąveiką tarpina energiją nešantys bozonai.
Pauli išskyrimo principas
Pauli išskyrimo principas teigia, kad du identiški fermionai negali vienu metu užimti tos pačios kvantinės būsenos. Makroskopiniu mastu tai yra tarsi sakymas, kad du žmonės tuo pačiu metu negali užimti tos pačios vietos (nors buvo žinoma, kad kovojantys broliai ir seserys bandė).
Tai reiškia atomo elektronams, kad kiekviename energijos lygyje yra tik tiek „sėdynių“. Jei atomas turi daug elektronų, tada, kai visos žemesnės būsenos yra pilnos, daugelis jų turi atsidurti aukštesnės energijos būsenose. Elektrono kvantinę būseną visiškai apibūdina keturi jo kvantiniai skaičiain, l, mlirms. Nei du vieno atomo elektronai negali turėti vienodų tų skaičių verčių rinkinio.
Pavyzdžiui, apsvarstykite leistinas elektronų būsenas atome. Mažiausias apvalkalas siejamas su kvantiniu skaičiumin= 1. Galimoslyra tada 0 ir 1. Dėll= 0, vienintelė galima reikšmėmlyra 0. Dėll = 1, mlgali būti -1, 0 arba 1. Tadams= + 1/2 arba -1/2. Tai leidžia atlikti šiuos deriniusn= 1 apvalkalas:
- l = 0, ml = 0,
ms = 1/2 * l = 0,
ml = 0,
ms = -1/2 * l = 1,
ml = -1,
ms = 1/2 * l = 1,
ml = -1,
ms = -1/2 * l = 1,
ml = 0,
ms = 1/2 * l = 1,
ml = 0,
ms = -1/2
- l = 1,
ml = 1,
ms = 1/2 * l = 1,
ml = 1,
ms = -1/2
Todėl, jei atomas turi daugiau nei aštuonis elektronus, likę jie turi užimti aukštesnius apvalkalus, tokius kaipn= 2 ir pan.
Bosono dalelės nepaklūsta Pauli išskyrimo principui.
Sterno-Gerlacho eksperimentas
Garsiausias eksperimentas, pademonstravęs, kad elektronai turi turėti vidinį kampinį impulsą arba sukti, buvo Sterno-Gerlacho eksperimentas. Norėdami suprasti, kaip šis eksperimentas veikė, apsvarstykite, ar įkrautas objektas, turintis kampinį impulsą, turėtų susieti magnetinį momentą. Taip yra todėl, kad magnetiniai laukai susidaro judant krūviui. Pavyzdžiui, jei jūs siunčiate srovę per vielos ritę, bus sukurtas magnetinis laukas, tarsi ritės ašyje sėdėtų ir sulygiuotas juostos magnetas.
Už atomo ribų elektronas neturi orbitos kampinio impulso. (Tai yra, nebent jis apskritimo keliu juda kitomis priemonėmis.) Jei toks elektronas judėtų tiesia linija pozityviuojuxkryptimi, tai sukurtų magnetinį lauką, kuris apgaubtų savo judėjimo ašį ratu. Jei toks elektronas būtų praleistas per magnetinį lauką, sulygintą suzašis, jos kelias turėtų nukrypti įydėl to šiek tiek nukreipta.
Tačiau praeinant pro šį magnetinį lauką, elektronų pluoštas skyla į dvi dalisz-kryptis. Tai gali atsitikti tik tuo atveju, jei elektronai turi vidinį kampinį impulsą. Dėl vidinio kampinio impulso elektronai turės magnetinį momentą, kuris gali sąveikauti su taikomu magnetiniu lauku. Tai, kad sija dalijasi į dvi dalis, rodo dvi galimas šio vidinio kampinio impulso orientacijas.
Pirmą kartą panašų eksperimentą 1922 metais atliko vokiečių fizikai Otto Sternas ir Walteris Gerlachas. Atlikdami eksperimentą, jie pernešė sidabro atomų pluoštą (kurio grynasis magnetinis momentas nėra dėl orbitos poveikio) per magnetinį lauką ir pamatė, kad pluoštas padalijamas į dvi dalis.
Kadangi šis eksperimentas leido suprasti, kad yra tiksliai dvi galimos sukimo kryptys, viena nukreipta į viršų ir viena tai buvo nukreipta žemyn, dvi galimos daugumos fermionų sukimosi orientacijos dažnai vadinamos „sukti aukštyn“ ir „sukti“ žemyn “.
Smulkios struktūros skilimas vandenilio atome
Smulkus energijos lygių ar spektrinių linijų skaidymas vandenilio atome buvo dar vienas įrodymas, kad elektronai turi sukimąsi ir kad sukimasis turi dvi galimas orientacijas. Atomo elektronų orbitalėse yra visos įmanomosn, lirmlyra du galimimsvertybes.
Primename, kad duotame atome gali absorbuotis arba išsiskirti tik labai specifiniai fotonų bangos ilgiai, atsižvelgiant į leidžiamus kiekybinius energijos lygius tame atome. Nurodyto atomo absorbcijos ar emisijos spektrai skaitomi kaip brūkšninis kodas, būdingas tam atomui.
Energijos lygiai, susiję su skirtingu sukimumsfiksuoto dydžio vertėsn, lirmlyra labai arti vienas kito. Vandenilio atome, kai spektrinės emisijos linijos buvo atidžiai tiriamos didele skiriamąja geba, tai vadinamadubletasbuvo pastebėta. Atrodė viena emisijos linija, susijusi tik sun, lirmlkvantiniai skaičiai iš tikrųjų buvo dvi emisijos linijos, nurodant ketvirtąjį kvantinį skaičių su dviem galimomis vertėmis.