Elektronspin
Mida mõistetakse elektroni spini all?
Elektroni spinn on elektronide omadus, mis avaldub magnetväljas magnetilise jõuna. On keeruline täpselt öelda, mis elektroni spinn tegelikult on. Nn Stern–Gerlachi katses saab näidata, et magnetväljade ja elektronide vahel esineb jõumõju, mida saab selgitada üksnes elektroni spinniga. Tänapäeval saab paljusid aine magnetilisi omadusi, nagu para- ja ferromagnetismi, seletada elektroni spinniga.Sisukord
Paljudel elementaarosakestel on spinn.
Kui massi või laengut on elementaarosakeste omadustena lihtne ette kujutada, siis spinniga on see keerulisem.
Näiteks elektronil on mass 9,1•10-31
kg ja laeng -1,6•10-19
C.
Spinni esitatakse sageli vaid kvantarvuna ning elektronidel on see sõltuvalt suunast +1/2 (spinn "up") või -1/2 (spinn "down").
Kvantteooria järgi on spinn omadus, mis sarnaneb pöördemomendiga.
Mehaanikas põhjustab pöördemomendi nt ringliikumine.
Spinn on aga erinevalt lihtsast ringliikumisest olemuslik omadus, mis on põhimõtteliselt muutumatu.
Spinni suunda saab küll muuta, kuid selle suurust ei saa ei vähendada ega suurendada.
Elektroni spinni vaatlus Stern–Gerlachi katsega
Spinni täheldati katseliselt Stern–Gerlachi katsega. Seejuures lasti hõbeaatomid läbi tugeva ebaühtlase magnetvälja.
Stern–Gerlachi katses aurustatakse hõbeaatomeid ahjus.
Aatomid (halli värviga kujutatud) väljuvad seejärel ava kaudu tugeva ja ebaühtlase magnetväljaga piirkonda (vihjamisi punasega kujutatud).
Ebaühtlasel magnetväljal on erinevates ruumipunktides väga erinev tugevus.
Seetõttu mõjub magnetmomentidele jõud, mis viib aatomite hälbimiseni nende lennutrajektooril.
Kuna hõbeaatomitel ei ole märkimisväärseid magnetmomente (v.a elektroni spinn), oodati enne katse läbiviimist, et aatomid hälbivad vaid nõrgalt ega eelistu kindlatesse suundadesse, vaid jaotuvad pidevana.
Täheldati aga 2 diskreetset plekki magnetvälja taha paigutatud vaatlusekraanil.
Järelikult peab olema hõbeaatomite magnetmoment, millel on täpselt 2 võimalikku suunda ja mis polnud seni veel teada.
See viis elektroni spinniga seotud avastuseni.
Ehkki enne Stern–Gerlachi katset eeldati, et hõbeaatomitel ei ole magnetiline moment,
täheldati, et hõbeaatomid kaldusid magnetväljas kõrvale, seega mõjub hõbeaatomitele magnetiline jõud.
Stern–Gerlachi katses kaldub pool aatomitest ühte kindlasse suunda, teine pool täpselt vastassuunas.
Seega õnnestus Stern–Gerlachi katsega tõestada, et aatomitel on siiski magnetiline moment, millele mõjub jõud ebaühtlases magnetväljas. Sellel magnetilisel momendil peab lisaks olema kaks võimalikku suunda. Seetõttu nõudsid füüsikud elektronide omadust, mis seletaks täheldatud magnetilise jõu toime. See omadus nimetati elektronispiniks. Enne Stern–Gerlachi katset ei olnud elektronispin tuntud, sest polnud põhjust sellist lisaspini omadust elektronidele omistada. Alles Stern–Gerlachi katse näitas, et peab olema veel seni tundmatu omadus. Elektronispin avastati seega selle magnetilise momendi tõttu ning see lisati elektronide kirjeldamiseks kvantteooriasse. Nõuti, et sellel saab olla vaid kaks sihtsuunda: spin "up" või spin "down".
Osakese spinnil on olulised tagajärjed osakese liikumisele ja asukohale. Nii ei tohi Pauli printsiibi kohaselt kaks elektroni ühes aatomis olla kõigi omaduste poolest identsed. Juba perioodilisuse tabeli kujunemisel tuvastati, et ühesuguse energia ja sama impulsmomendi korral võivad aatomis ühes olekus viibida täpselt 2 elektroni. Need 2 elektroni peavad siis erinema just oma spinni poolest. Mõlemal elektronil on vastassuunaline spinn. Nende spinnide magnetilised momendid kompenseeruvad vastastikku. Elektronid on „paardunud“. Kui aatomitel on ainult sellised paardunud elektronid, on aatomite koguspinn, mida määrab valdavalt elektronispin, ligikaudu null. Siis puudub aatomitel resultantne koguspinn, mis saaks välises magnetväljas joonduda, ning nad käituvad diamagnetiliselt.
Stern–Gerlachi katse hõbeaatomitel on aga niinimetatud paardumata elektron. Nende resultantne koguspinn vastab ligikaudu selle elektroni spinnile. Näiteks hapnikul on isegi 2 elektroni paardumata ja need võivad magnetväljas joonduda. Mõlemal juhul räägitakse paramagnetitest. Paramagnetid joondavad oma spinnid välises magnetväljas ja neid tõmmatakse seetõttu ligi.
Vasakpoolsel joonisel on skeemiliselt kujutatud heeliumi elektronkonnfiguratsioon (diamagnetiline) koguspinniga 0 ning paremal triplethapniku elektronkonnfiguratsioon koguspinniga 1.
Elektronide spinnid on tähistatud nooltega, mis sümboliseerivad vastavat magnetmomenti.
Triplethapnikus on 2 elektronispinni paaritamata.
Hapnik on paramagnetiline.
Esitatud mudel ei ole täpne ja on üksnes illustreeriva iseloomuga.
Mõnes materjalis esineb tugev vastastikmõju, nn vahetusvastastikmõju,
joondunud elektronspinnide vahel.
Ka vahetusvastastikmõju tuleneb Pauli printsiibist.
Kui see on suurem kui elektronide soojusenergia, käitub materjal välises magnetväljas ferromagnetiliselt.
Elektronspinnid jäävad siis joondatuks ka pärast välise magnetvälja väljalülitamist, mida saab mõõta kui remanentsi,
s.t kui jäävat magnetiseeritust.
Tänapäeval on teada, et ka prootonitel ja neutronitel on spinn, mille magnetiline toime on siiski tuhat korda väiksem kui elektronidel. Prootonite ja neutronite spinn kujuneb elementaarosakeste, st kvarkide, spinnist, millest prootonid ja neutronid koosnevad.
Elementaarosakeste mudeli järgi on kõigil elementaarosakestel erineva suurusega spinn. Spinni saab põhimõtteliselt tuvastada selle magnetilise momendi kaudu. Maxwelli võrrandite, elektri ja magnetismi seaduste järgi tekib magnetiline moment alati voolust, s.t elektronide liikumisest.
Elektronispinni ettekujutus: Tänaseni rahuldavalt vastamata
Mis elektronispinn tegelikult on, ei ole siiani rahuldavalt vastatud. Varem kujutleti spinni kui kerakujulise elementaarosakese pöörlemist oma telje ümber.Ent elektronispinni kui oma telje ümber toimuva pöörlemise ettekujutus viib vastuoludeni. See on juba seetõttu vastuoluline, et elektronid ei ole lihtsalt laetud kuulikesed, nagu varem arvati. Pigem omavad elektronid teatud laineomadusi kindla lainepikkusega ning teatud „kuulikese” omadusi, näiteks seda, et elektrone saab sihipäraselt aatomist „välja lüüa”.
Füüsikaliselt on elektronispinni probleemi käsitlemiseks piisav, kui samastada elektronispinn mõõdetava magnetilise momendiga või viidata spinnivabadusastmetele nüüdisaegsetes matemaatilistes teooriates.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
