Scientia

Deşi modelele atomice mai vechi au fost puternic influenţate de imaginea sistemului solar, experimentele au arătat că, în cazul  spinului electronilor, analogia cu mişcarea planetelor în jurul propriilor axe este una inexactă.

CE ESTE SPINUL PARTICULELOR ELEMENTARE?

Modelele atomice mai vechi au fost puternic influenţate de imaginea pe care o avem despre sistemul nostru solar: un nucleu masiv în centru înconjurat de electroni care orbitează în jurul nucleului asemenea planetelor în jurul Soarelui. Numai că în plus faţă de mişcarea lor pe orbita circumsolară planetele (electronii) au o a doua mişcare proprie, cea în jurul propriei axe – aşa cum face şi Pământul care efectuează o rotaţie completă în jurul Soarelui într-un an de zile şi în jurul propriei axe în 24 de ore.

Continuând această analogie planeta noastră este caracterizată de un moment cinetic orbital (caracterizează rotaţia în jurul Soarelui / al nucleului atomic, în cazul electronilor) şi, în plus, de un moment cinetic propriu,  de rotaţie, numit spin în cazul electronilor (care caracterizează mişcarea de rotaţie în jurul propriei axe).

Electronii sunt particule care au o sarcină electrică proprie. Întotdeauna când o sarcină electrică se află în mişcare ia naştere un câmp magnetic. Nimic nu poate împiedica acest fenomen: dacă deplasezi o sarcină electrică vei induce un câmp magnetic. Un electron în mişcare în jurul nucleului reprezintă practic o buclă minusculă de curent electric care dă naştere unui câmp magnetic.

Mişcarea de spin a electronului dă naştere unui alt câmp magnetic. Astfel că atomii se comportă asemenea unor mici magneţi. Magneţii pot interacţiona cu alţi magneţi, ceea ce înseamnă că pot fi influenţaţi de către de câmpuri magnetice exterioare.

DESCOPERIREA SPINULUI. EXPERIMENTUL STERN-GERLACH

Experimentul Stern-Gerlach

O descriere foarte reuşită a experimentului Stern-Gerlach poate fi consultată la această adresă, unde puteţi găsi şi un applet java care prezintă ce se întâmplă cu montajul experimental în anumite condiţii (veţi avea nevoie de maşina virtuală java pentru a putea rula applet-ul - n.n.). Aruncaţi o privire şi pe site-ul HyperPhysics, în special pe pagina lor dedicată spinului electronului.

În anul 1921 doi fizicieni, Otto Stern şi Walther Gerlach, au efectuat un experiment foarte interesant: au folosit  un fascicul de atomi de argint neutri din punct de vedere electric pe care l-au deplasat de-a lungul unui câmp magnetic neuniform. Acest câmp magnetic a deviat atomii de argint aşa cum ar fi deviat mici magneţi dipol dacă ar fi trecuţi prin acest câmp magnetic. După trecerea prin acest câmp magnetic atomii deviaţi lovesc o placă fotografică la nivelul căreia lasă mici puncte vizibile. (Dacă vă întrebaţi de ce au folosit atomi de argint, explicaţia este următoarea: atomii de argint se comportă asemenea celor de hidrogen, care au un singur electron (ca şi argintul pe stratul de valenţă – n.n.), numai că atomii de argint sunt mult mai uşor de manipulat în condiţii de laborator, dar şi mai uşor de detectat cu ajutorul unei plăci fotografice).

Goudsmith şi Uhlenbeck.

Descoperirea propriu-zisă a spinului electronic a fost făcută de către doi fizicieni olandezi,  G.E. Uhlenbeck şi S.A. Goudsmit, în anul 1925. Aceştia au demonstrat că spectrele atomice pot fi înţelese cu ajutorul unei idei noi, conform căreia electronul este caracterizat de un aşa-numit spin. Vă recomandăm această prezentare susţinută de către Samuel Goudsmit despre descoperirea sa (pentru care el şi Uhlenbeck nu au primit niciodată premiul Nobel).

Rezultatul acestui experiment a fost unul total neaşteptat şi foarte surprinzător. Trebuie avut în minte faptul că aceşti atomi tocmai ieşiseră dintr-un cuptor unde argintul fusese evaporat, astfel că nu aveau o anume orientare spaţială (la fel ca în cazul argintului solid - n.n.), din care cauză spinul electronilor exteriori (de pe stratul de valenţă) ar fi trebuit să fie orientat în toate direcţiile posibile în spaţiu. În funcţie de orientarea lor, atomii noştri, aceşti dipoli minusculi, “resimt” o forţă magnetică diferită şi de aceea şi devierea este diferită. Unii dintre ei ar fi trebuit să fie orientaţi de o manieră care să presupună o deviere foarte puternică, iar în cazul altora orientarea va avea drept rezultat o deviere practic nulă, astfel că Stern şi Gerlach se aşteptau să obţină un model de distribuţie a punctelor pe placa fotografică asemenea celui descris pe figura de mai sus ca “Perspectiva clasică”: o pată pe placa fotografică, pată compusă dintr-o mulţime de puncte foarte mici care lovesc placa pe toată suprafaţa respectivei pete. Numai că în realitate modelul de distribuţie a punctelor de contact al atomilor cu placa fotografică a fost cel reprezentat dedesubtul celui clasic: un simplu contur creat de impactul atomilor cu placa fotografică, în mijlocul căruia nu se afla nimic altceva !

Exista o singură explicaţie posibilă pentru acest tip de comportament: momentele magnetice – şi prin urmare şi spinul – pot avea numai două anumite orientări în spaţiu. (Ca să fim mai exacţi, imaginea de mai sus este adevărată doar dacă momentul cinetic orbital al electronului este zero (l=0 starea fundamentală)).

Polarizarea electronilor liberi

Un detaliu deloc evident se referă la faptul că un experiment Stern-Gerlach efectuat cu electroni liberi nu ar funcţiona. (Prin 'electroni liberi' desemnăm electroni care nu sunt parte a unui/unor atomi.) S-ar putea crede că electronii ar putea fi sortaţi în funcţie de orientarea spinului lor prin trecerea acestora printr-un câmp magnetic neomogen generat de un magnet de tipul Stern-Gerlach, iar fasciculul respectiv ar fi divizat în două fascicule, fiecare dintre acestea polarizate în funcţie de spinul electronilor respectivi.

Din păcate nu este aşa de simplu să obţinem electroni liberi polarizaţi! Electronii liberi nu sunt neutri din punct de vedere electric (asemenea atomilor de argint) şi de aceea ei sunt deviaţi şi prin intermediul forţei Lorentz. Acest fapt, alături de principiul incertitudinii, împiedică separarea electronilor de spin paralel de cei de spin opus celui dintâi. O explicaţie detaliată a acestui efect poate fi consultată în cartea lui Joachim Kessler intitulată “Electroni polarizaţi” (Springer, Heidelberg 1976).

Să facem un scurt rezumat al celor prezentate până acum:

1. Electronii se comportă asemenea unor mici titirezi.
2. Rotaţia lor în jurul axei proprii poartă numele de 'spin'.
3. O sarcină electrică în mişcare (care se învârte) creează un câmp magnetic. Astfel putem măsura (cuantifica) această rotaţie (spinul): măsurăm interacţiunea dintre un câmp magnetic exterior şi câmpul magnetic generat de electronul aflat în mişcare de rotaţie.
4. Spinul electronului are un comportament foarte straniu din anumite puncte de vedere: poate avea doar două orientări în spaţiu. Acest aspect nu poate fi explicat pe baza modelului electronului ales de noi, cel al unui titirez aflat în mişcare de rotaţie.
5. Aşadar, poate că electronul nu se aseamănă deloc unui mic titirez...

Ce este spinul particulelor ? (2)

Acest text reprezintă traducerea cu acordul autorului a articolului "What is spin?" scris de Markus Ehrenfried.