Kvantu mehānikā, mēģinot izveidot analoģiju starp klasiskajiem lielumiem un to kvantu analogiem, nav nekas neparasts, ka šīs analoģijas neizdodas. Spin ir lielisks piemērs tam.
Elektroni un atomu struktūra
Lai saprastu griešanos un turpmāko atšķirību starp orbitālo un iekšējo leņķi impulss, ir svarīgi saprast atoma struktūru un to, kā elektroni ir izvietoti tajā.
Vienkāršotais Bora atoma modelis izturas pret elektroniem tā, it kā tās būtu planētas, kas riņķo ap centrālo masu - kodolu. Tomēr patiesībā elektroni darbojas kā izkliedēti mākoņi, kas var iegūt dažādus orbītas modeļus. Tā kā enerģijas stāvokļi, kurus tie var aizņemt, ir kvantificēti vai diskrēti, pastāv atšķirīgas orbitāles vai reģioni, kuros dažādi elektronu mākoņi pastāv ar dažādām enerģētiskām vērtībām.
Ievērojiet vārduorbītastā vietāorbītā. Šie elektroni riņķo pēc jaukiem apļveida modeļiem. Daži elektroni var aizņemt izkliedētu sfērisku apvalku, bet citi aizņem valstis, kas rada atšķirīgus modeļus, nekā varētu izskatīties kā stienis vai toruss. Šos dažādos līmeņus vai orbitāles bieži sauc arī par čaulām.
Orbīta vs. Iekšējais leņķiskais moments
Tā kā elektroni griežas, bet arī aizņem stāvokli atoma orbitālē, ar tiem saistīti divi dažādi leņķiskie momenti. Orbitālais leņķiskais impulss ir mākoņa formas rezultāts, kuru elektrons aizņem. To var uzskatīt par analogu planētas orbītas leņķiskajam impulsam par sauli, jo tas attiecas uz elektronu kustību attiecībā pret centrālo masu.
Tās iekšējais leņķiskais impulss ir tā griešanās. Lai gan to var uzskatīt par analogu orbītas planētas rotācijas leņķiskajam impulsam (tas ir, leņķa impulss rodas no planētas, kas rotē ap savu asi), tā nav ideāla līdzība, jo elektroni tiek uzskatīti par punktiem masas. Lai gan ir lietderīgi, ja masai, kas aizņem vietu, ir rotācijas ass, nav īsti jēgas, ja punktam ir ass. Neatkarīgi no tā ir īpašums, ko sauc par spin, kas darbojas šādi. Griešanos bieži sauc arī par iekšējo leņķisko impulsu.
Kvantu skaitļi elektroniem atomos
Atomā katru elektronu raksturo četri kvantu skaitļi, kas norāda, kādā stāvoklī atrodas šis elektrons un ko tas dara. Šie kvantu skaitļi ir galvenais kvantu skaitlisn, azimutālais kvantu skaitlisl, magnētiskais kvantu skaitlismun spin kvantu skaitliss. Šie kvantu skaitļi ir savstarpēji saistīti dažādos veidos.
Galvenais kvantu skaitlis iegūst veselu skaitļu vērtības 1, 2, 3 un tā tālāk. Vērtībannorāda, kuru elektronu apvalku vai orbītu konkrētais elektrons aizņem. Augstākā vērtībankonkrētam atomam ir skaitlis, kas saistīts ar visattālāko apvalku.
Azimutālais kvantu skaitlisl, kas dažreiz tiek dēvēts par leņķa kvantu skaitli vai orbitālo kvantu skaitli, apraksta saistīto apakšveļu. Tas var iegūt veselu skaitļu vērtības no 0 līdzn-1 kurnir čaulas, kurā tā atrodas, galvenais kvantu skaitlis. Nol, orbītas leņķiskā impulsa lielumu var noteikt, izmantojot attiecības:
L ^ 2 = \ hbar ^ 2l (l + 1)
KurLir elektrona orbitālais leņķiskais impulss un ℏ ir samazināta Plankas konstante.
Magnētiskais kvantu skaitlism, bieži marķētsmllai skaidri pateiktu, ka tas ir saistīts ar konkrētu azimutālo kvantu skaitli, dod leņķiskā impulsa projekciju. Apakškorpusā leņķiskā impulsa vektoriem var būt noteiktas atļautās orientācijas unmluzlīmes, kuras no tām ir konkrētajam elektronam.mlvar iegūt veselas skaitļa vērtības starp -lun +l.
Kopumā griešanās kvantu skaitli apzīmē ars. Tomēr visiem elektroniems= ½. Saistīts numursmsdod iespējamās orientācijassTāpatmlsniedza iespējamās orientācijasl. Iespējamās vērtībasmsir vesela skaitļa pieaugums starp-suns. Tādējādi elektronam atomā,msvar būt vai nu ½, vai + ½.
Spin tiek kvantificēts, izmantojot attiecības:
S ^ 2 = \ hbar ^ 2s (s + 1)
kurSir iekšējais leņķiskais impulss. Līdz ar to zinotsvar dot jums iekšējo leņķisko impulsu tāpat kā zināšanalvar dot jums orbītas leņķisko impulsu. Bet atkal, atomu iekšienē visiem elektroniem ir vienāda vērtības, kas padara to mazāk aizraujošu.
Daļiņu fizikas standarta modelis
Daļiņu fizikas mērķis ir izprast visu fundamentālo daļiņu darbību. Standarta modelis daļiņas klasificēfermioniunbozoni, un pēc tam sīkāk klasificē fermionuskvarkiunleptoniun bozoni uzmērītājsunskalāros bozonus.
Leptons ietverelektroni, neitrīnoun citas eksotiskākas daļiņas, piemēram,muons,tauun saistītsanti daļiņas. Kvarkos ietilpstuz augšu un uz leju kvarkikas apvienojas formāneitroniunprotoni, kā arī nosauktie kvarkitops, apakšā, dīvainiunšarmsun ar tiem saistītās pret daļiņas.
Bosons ietverfotons, kas ir elektromagnētiskās mijiedarbības starpnieks;gluon,Z0 bozons,W+unW-bozoni unHiggsbozons.
Visiem fundamentālajiem fermioniem ir grieziens 1/2, lai gan dažām eksotiskām kombinācijām var būt grieziens 3/2 un teorētiski lielāks, bet vienmēr vesels skaitlis ir 1/2. Lielākajai daļai bozonu ir vērpšana 1, izņemot Higsa bozonu, kura griešanās ir 0. Tiek prognozēts, ka hipotētiskajam gravitonam (vēl nav atklāts) ir spin 2. Atkal, teorētiski ir iespējami lielāki griezieni.
Bosoni nepilda likumu saglabāšanas likumus, bet fermioni. Papildus citiem saglabātajiem daudzumiem ir arī "leptona saglabāšanas likums" un "kvarkas" skaitlis. Pamata daļiņu mijiedarbību nodrošina enerģiju nesošie bozoni.
Pauli izslēgšanas princips
Pauli izslēgšanas princips nosaka, ka divi identiski fermioni nevar vienlaikus ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli. Makroskopiskā mērogā tas ir kā teikt, ka divi cilvēki vienlaikus nevar ieņemt vienu un to pašu vietu (lai gan ir zināms, ka cīņas brāļi un māsas mēģina).
Tas, ko tas nozīmē atoma elektroniem, ir tas, ka katrā enerģijas līmenī ir tikai tik daudz “vietu”. Ja atomam ir daudz elektronu, tad daudziem no tiem ir jānonāk augstākas enerģijas stāvoklī, kad visi zemākie stāvokļi ir piepildīti. Elektrona kvantu stāvokli pilnībā raksturo tā četri kvantu skaitļin, l, mlunms. Nevienam diviem elektroniem viena atoma ietvaros šiem skaitļiem nevar būt vienāda vērtību kopa.
Piemēram, apsveriet atomu atļautos elektronu stāvokļus. Zemākais apvalks ir saistīts ar kvantu skaitlin= 1. Iespējamās vērtībaslir 0 un 1. Priekšl= 0, vienīgā iespējamā vērtībamlir 0. Priekšl = 1, mlvar būt -1, 0 vai 1. Tadms= + 1/2 vai -1/2. Tas ļauj šādām kombinācijāmn= 1 apvalks:
- 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
Tāpēc, ja atomam ir vairāk nekā astoņi elektroni, pārējiem no tiem jāieņem augstāki apvalki, piemēram,n= 2 un tā tālāk.
Bosona daļiņas nepakļaujas Pauli izslēgšanas principam.
Šterna-Gerlaha eksperiments
Visslavenākais eksperiments, lai parādītu, ka elektroniem ir jābūt iekšējam leņķiskajam impulsam jeb griezienam, bija Stern-Gerlach eksperiments. Lai saprastu, kā šis eksperiments darbojās, apsveriet, ka lādētajam objektam ar leņķisko impulsu jābūt saistītam magnētiskajam momentam. Tas ir tāpēc, ka magnētiskie lauki rodas, pārvietojoties lādiņam. Piemēram, ja jūs sūtāt strāvu caur stieples spoli, tiks izveidots magnētiskais lauks tā, it kā spoles ass iekšpusē sēdētu un būtu izlīdzināts stieņa magnēts.
Ārpus atoma elektronam nebūs orbītas leņķiskā impulsa. (Tas ir, ja vien tas nav pārvietots apļveida ceļā ar citiem līdzekļiem.) Ja šāds elektrons pozitīvā virzienā pārvietotos taisnā līnijāx- virziens, tas radītu magnētisko lauku, kas ap savu kustības asi apli riņķo. Ja šāds elektrons tiktu izvadīts caur magnētisko lauku, kas izlīdzināts arz- ass, tā ceļam vajadzētu novirzītiesy- rezultātā nedaudz virzība.
Tomēr, izejot caur šo magnētisko lauku, elektronu stars sadalās divās daļāszvirziens. Tas varētu notikt tikai tad, ja elektroniem ir raksturīgs leņķiskais impulss. Iekšējais leņķiskais impulss radīs elektroniem magnētisko momentu, kas var mijiedarboties ar pielietoto magnētisko lauku. Fakts, ka stars sadalās divās daļās, norāda divas iespējamās šī iekšējā leņķiskā impulsa orientācijas.
Pirmo reizi līdzīgu eksperimentu 1922. gadā veica vācu fiziķi Oto Sterns un Valters Gerlačs. Veicot eksperimentu, viņi izlaida sudraba atomu staru (kam orbītas ietekmes dēļ nav neto magnētiskā momenta) caur magnētisko lauku un redzēja, ka stars sadalās divās daļās.
Tā kā šis eksperiments skaidri parādīja, ka ir tieši divas iespējamas griešanās orientācijas, viena bija novirzīta uz augšu un viena kas tika novirzīts uz leju, lielāko daļu fermionu divas iespējamās griešanās orientācijas bieži dēvē par “spin up” un “spin” uz leju. ”
Smalkas struktūras sadalīšanās ūdeņraža atomā
Enerģijas līmeņu vai spektrālo līniju smalka struktūras sadalīšana ūdeņraža atomā bija vēl viens pierādījums tam, ka elektroniem ir vērpšana un ka spin ir ar divām iespējamām orientācijām. Atoma elektronu orbitālēs visi iespējamie to savienojumin, lunmlnāk ar diviem iespējamiemmsvērtības.
Atgādināsim, ka noteiktā atomā var absorbēt vai izstarot tikai ļoti specifiskus fotonu viļņu garumus, atkarībā no atļautā, kvantizētā enerģijas līmeņa šajā atomā. Absorbcijas vai emisijas spektri no konkrēta atoma skan kā svītrkods, kas raksturīgs šim atomam.
Enerģijas līmeņi, kas saistīti ar dažādu griešanosmsvērtības fiksētāmn, lunmlir ļoti cieši izvietoti. Ūdeņraža atomā, kad spektrālās emisijas līnijas tika rūpīgi pārbaudītas ar lielu izšķirtspēju, šī t.s.dubletstika novērots. Izskatījās kā viena emisijas līnija, kas saistīta tikai arn, lunmlkvantu skaitļi faktiski bija divas emisijas līnijas, kas norāda ceturto kvantu skaitli ar divām iespējamām vērtībām.
