Spin (fizică)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

În mecanica cuantică și fizica particulelor elementare, se numește spin momentul cinetic intrinsec al unei particule (electron, proton, atom, ...) În mecanica clasică, impulsul unghiular al unui corp este asociat cu rotația corpului în jurul propriului său centru de masă. În mecanica cuantică, spinul este deosebit de important pentru sistemele de dimensiuni atomice, cum ar fi atomii, protonii, sau electronii. Astfel de particule au anumite caracteristici neclasice iar pentru ele, impulsul unghiular intrinsec nu poate fi asociat cu o rotație ci se referă doar la prezența impulsului unghiular. Conceptul de spin pentru particule elementare a fost propus inițial de Ralph Kronig, George Uhlenbeck, and Samuel Goudsmit, în 1925 ca fiind o rotație a particulelor în jurul axei proprii.

Descoperirea experimentala a spinului[modificare | modificare sursă]

Experimentul Stern-Gerlach[modificare | modificare sursă]

Stern și Gerlach (1922) au urmărit sa măsoare momentele magnetice ale atomilor individuali studiind comportarea unui fascicol de atomi intr-un câmp magnetic neomogen și încercand sa verifice formula teoretica : μz=-mμb (unde μz este proiectia momentului magnetic orbital, iar μb este magnetonul Bohr-Procopiu). In experimentul lor, un fascicol de atomi de Argint obtinuti cu ajutorul unui cuptor se deplaseaza dupa directia axei x, întâlnind în drum un câmp magnetic orientat dupa axa z, adica perpendicular pe directia de mișcare a atomilor. Acest câmp magnetic poseda o mare neomogenitate în spatiu, și ca urmare, asupra polilor dipolului magnetic atomic acționează forte de marimi diferite, a caror rezultanta imprima dipolului o acceleratie fie în sensul câmpului, fie în sens opus, în functie de orientarea dipolului în raport cu câmpul. Daca dipolul atomic s-ar afla intr-un câmp magnetic omogen, forta rezultanta care ar actiona asupra sa ar fi nula, deoarece forta magnetica acționează asupra polului sau nord cu aceeași intensitate ca și asupra polului sau sud. S-a dovedit ca atomii în starea s poseda toti același moment magnetic, iar proiectia acestuia pe axa aleasa poate lua doar doua valori: μz=±μb.

Experimentul Einstein-De Haas[modificare | modificare sursă]

O bara feromagnetica, atarnata de un fir de cuart, este magnetizata cu ajutorul unui curent ce trece prin bobina, bara efectuand apoi oscilatii de torsiune. Masurarea experimentala a factorului giromagnetic a condus la urmatoarele rezultate:

  • Raportul γ=-ge/2m0 are o valoare negativa, ceea ce indica ca magnetizarea barei feromagnetice este determinata de mișcarea electronilor;
  • valoarea factorului Lande, g, nu este egala cu 1 potrivit teoriei lui Schrodinger, ci egala cu doi.

Ipoteza Uhlenbeck-Goudsmidt[modificare | modificare sursă]

Pentru a explica rezultatele celor doua experimente, Uhlenbeck și Goudsmidt (1925) au emis ipoteza, conform careia electronul poseda, pe langa momente orbitale, și momente cinetic și magnetic proprii. Aceste momente au primit denumirea de spin electronic, în legatura cu încercarea de a le lega de mișcarea de rotatie a electronului în jurul axei sale proprii. Momentul cinetic propriu al electronului este: |s|=sħ=½ħ, astfel incat proiectia este: sz=msħ=±½ħ. Dupa introducerea spinului electronului au primit o interpretare corecta atat proprietățile magnetice ale substantelor, cat și structura de multiplet a liniilor spectrale emise de atomi.


Generalități[modificare | modificare sursă]

Una dintre cele mai remarcabile descoperiri asociate cu fizica cuantică este faptul că particulele elementare pot avea impuls unghiular nenul. Particulele elementare sunt particule ce nu pot fi divizate în unități mai mici, cum ar fi fotonul, electronul, și diferitele quarkuri. Studii teoretice și experimentale au arătat că spinul acestor particule nu poate fi explicat prin postularea ideii că ele sunt compuse din particule și mai mici care se rotesc în jurul unui centru comun de masă; din câte se știe, aceste particule elementare sunt cu adevărat punctiforme. Spinul lor este o proprietate fizică intrinsecă a acestor particule, din aceeași categorie cu masa sau sarcina electrică.

Conform mecanicii cuantice, impulsul unghiular al oricărui sistem este cuantificat. Modulul impulsului unghiular S, poate lua valori doar conform acestei relații:

S = \hbar \, \sqrt{s (s+1)},

unde \hbar este constanta lui Planck redusă, iar s este un număr nenegativ întreg sau semiîntreg (0, 1/2, 1, 3/2, 2, etc.), denumit numarul cuantic de spin. De exemplu, electronii (care sunt particule elementare) sunt denumite particule cu "spin-1/2" deoarece spinul lor este s = 1/2.

Spinul fiecărei particule elementare are o valoare S fixă care depinde doar de tipul particulei, și nu poate fi modificat prin niciun mijloc cunoscut (deși este posibil să fie modificată direcția vectorului impuls unghiular). Fiecare electron are s = 1/2. Alte particule elementare cu spin-1/2 sunt neutrinii și quarkurile. Pe de altă parte, fotonii sunt particule cu spin 1, iar gravitonul (particulă ipotetică) are spinul 2. Altă particulă ipotetică, bozonul Higgs este unică între particulele elementare, având spinul zero.

Spinul particulelor compuse, cum ar fi protonii, neutronii, nucleii atomici, și atomii, este alcătuit din spinurile particulelor constituente, iar impulsul lor unghiular este suma dintre spinul particulelor și impulsul unghiular orbital al mișcărilor acestor particule componente unele în jurul celorlalte. Condiția de cuantificare a impulsului unghiular se aplică atât particulelor elementare cât și celor compuse. Se spune despre unele particule compuse că au un spin definit, ca și cele elementare; de exemplu, protonul are spinul 1/2. Prin aceasta se înțelege spinul stării interne de energie minimă a particulei compuse.

Spinul particulelor[modificare | modificare sursă]

Aproape toate particulele, atat reale, cat si presupuse, au spini cuprinsi intre 0 si 2:

  • Spin 0: bosonul lui Higgs;
  • Spin 1/2: electronul, pozitronul, protonul, neutronul, quarcii, etc;
  • Spin 1: fotonul, bozonii W± et Z0;
  • Spin 2: gravitonul.

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

  • I.G. Murgulescu Introducere în chimia fizică, vol.I,1 Atomi.Molecule.Legătura chimică, Editura Academiei RSR, București, 1976
  • Eyvind H. Wichmann: " Cursul de fizică Berkeley-Fizica cuantică", vol. IV Ed. Didactică și Pedagogică, București, 1983