Spin dell'elettrone

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Che cos'è lo spin degli elettroni?

Lo spin degli elettroni è una proprietà degli elettroni che si manifesta come forza magnetica in un campo magnetico. È difficile dire cosa sia realmente lo spin degli elettroni. Nel cosiddetto esperimento di Stern-Gerlach, si può dimostrare che esiste un effetto di forza tra campi magnetici ed elettroni che può essere spiegato solo dallo spin degli elettroni. Oggi molte proprietà magnetiche della materia, come il para- e il ferromagnetismo, possono essere spiegate dallo spin degli elettroni.

Indice

Molte particelle elementari hanno uno spin. Mentre è facile immaginare la massa o la carica come proprietà delle particelle elementari, è più difficile immaginare lo spin. Un elettrone, ad esempio, ha una massa di 9,1•10^-31 kg e una carica di -1,6•10^-19 C. Lo spin è spesso specificato solo come numero quantico e, a seconda dell'orientamento, è +1/2 (spin "up") o -1/2 (spin "down") per gli elettroni. Secondo la teoria quantistica, lo spin è una proprietà simile al momento angolare. In meccanica, il momento angolare è causato, ad esempio, dal moto circolare. A differenza del semplice moto circolare, però, lo spin è una proprietà fondamentalmente immutabile. Sebbene la direzione dello spin possa essere modificata, non può essere aumentata o diminuita.

Osservazione dello spin degli elettroni con l'esperimento di Stern-Gerlach

Lo spin è stato osservato sperimentalmente con l'esperimento di Stern-Gerlach. In questo esperimento, gli atomi di argento sono stati inviati attraverso un forte campo magnetico disomogeneo.

Illustrazione dell'esperimento Stern-Gerlach

Nell'esperimento di Stern-Gerlach, gli atomi di argento vengono vaporizzati in un forno. Gli atomi (in grigio) volano fuori da un'apertura in un campo magnetico forte e disomogeneo (in rosso). Un campo magnetico disomogeneo ha un'intensità molto diversa in diversi punti dello spazio. Di conseguenza, sui momenti magnetici agisce una forza che porta alla deviazione degli atomi sulla loro traiettoria. Poiché gli atomi di argento non hanno momenti magnetici significativi (a parte lo spin dell'elettrone), prima di eseguire l'esperimento ci si aspettava che gli atomi sarebbero stati deviati solo leggermente e non in determinate direzioni preferite, ma in una distribuzione continua. Tuttavia, sullo schermo di osservazione sono stati osservati due punti discreti dietro il campo magnetico. Di conseguenza, deve esistere un momento magnetico degli atomi d'argento che ha esattamente due possibili impostazioni e che prima era sconosciuto. Ciò ha portato alla scoperta dello spin dell'elettrone.

Sebbene prima dell'esperimento di Stern-Gerlach si fosse ipotizzato che gli atomi d'argento non avessero un momento magnetico, si osservò che gli atomi d'argento venivano deviati nel campo magnetico, cioè che una forza magnetica agisce sugli atomi d'argento. Nell'esperimento di Stern-Gerlach, metà degli atomi viene deviata in una certa direzione, mentre l'altra metà degli atomi viene deviata esattamente nella direzione opposta.

L'esperimento di Stern-Gerlach è stato quindi in grado di dimostrare che gli atomi hanno un momento magnetico, sul quale agisce una forza in un campo magnetico disomogeneo. Questo momento magnetico deve avere anche due direzioni possibili. I fisici ipotizzarono quindi una proprietà degli elettroni che spiegasse l'effetto della forza magnetica osservata. Questa proprietà fu chiamata spin dell'elettrone. Prima dell'esperimento di Stern-Gerlach, lo spin dell'elettrone non era conosciuto e non c'era motivo di prevedere una proprietà di spin aggiuntiva per gli elettroni. Solo l'esperimento di Stern-Gerlach dimostrò che doveva esistere una proprietà prima sconosciuta. Lo spin dell'elettrone è stato quindi scoperto sulla base del suo momento magnetico e poi incorporato nella teoria quantistica per descrivere gli elettroni. Si è affermato che può avere solo due direzioni di orientamento, vale a dire spin "up" o spin "down".

Lo spin di una particella ha conseguenze significative sul movimento e sulla posizione della particella stessa. Secondo il principio di Pauli, due elettroni in un atomo non possono avere proprietà identiche. Nella costruzione della tavola periodica, si è stabilito che in un atomo possono essere sempre presenti esattamente due elettroni in uno stato con la stessa energia e lo stesso momento angolare. Tuttavia, questi due elettroni devono differire per il loro spin. Entrambi gli elettroni hanno spin orientati in modo opposto. I momenti magnetici di questi spin si compensano a vicenda. Gli elettroni sono "accoppiati". Se gli atomi hanno solo tali elettroni accoppiati, lo spin totale degli atomi, che è determinato principalmente dallo spin degli elettroni, è approssimativamente nullo. Gli atomi non hanno quindi alcuno spin totale che possa essere allineato in un campo magnetico esterno e si comportano in modo diamagnetico.

Tuttavia, gli atomi di argento dell'esperimento di Stern-Gerlach hanno un cosiddetto elettrone spaiato. Il loro spin totale risultante corrisponde approssimativamente allo spin di questo elettrone. Nel caso dell'ossigeno, ad esempio, anche 2 elettroni sono spaiati e possono allinearsi nel campo magnetico. In entrambi i casi si parla di paramagneti. I paramagneti allineano i loro spin in un campo magnetico esterno e si attraggono.

T2658 La figura mostra schematicamente a sinistra la configurazione elettronica dell'elio (diamagnetico) con uno spin totale risultante pari a 0 e a destra la configurazione elettronica dell'ossigeno tripletto con uno spin totale risultante pari a 1. Gli spin degli elettroni sono indicati da frecce che simboleggiano il momento magnetico associato. Nell'ossigeno tripletto, 2 elettroni sono spaiati. L'ossigeno è paramagnetico. Il modello mostrato non è esatto ed è solo a scopo illustrativo.

In alcuni materiali esiste una forte interazione, la cosiddetta interazione di scambio, tra gli spin degli elettroni allineati. L'interazione di scambio è causata anche dal principio di Pauli. Se l'energia dell'interazione di scambio è maggiore dell'energia termica degli elettroni, il materiale si comporta in modo ferromagnetico in un campo magnetico esterno. Gli spin degli elettroni rimangono allineati anche dopo la disattivazione del campo magnetico esterno, il che può essere misurato come rimanenza, cioè come magnetizzazione residua.

Oggi si sa che anche i protoni e i neutroni hanno uno spin, ma il loro effetto magnetico è mille volte inferiore a quello degli elettroni. Lo spin dei protoni e dei neutroni è formato dallo spin delle particelle elementari, cioè i quark, che compongono i protoni e i neutroni.

Secondo il modello delle particelle elementari, tutte le particelle elementari hanno spin di valori diversi. Lo spin può essere rilevato fondamentalmente attraverso il suo momento magnetico. Secondo le equazioni di Maxwell, le leggi dell'elettricità e del magnetismo, un momento magnetico è sempre creato da una corrente, cioè da un movimento di elettroni.

Introduzione dello spin dell'elettrone: risposte ancora oggi insoddisfacenti

La vera natura dello spin degli elettroni non è ancora stata spiegata in modo soddisfacente. In passato si pensava che lo spin fosse la rotazione di particelle elementari sferiche intorno al proprio asse.

Tuttavia, immaginare lo spin degli elettroni come una rotazione attorno al proprio asse porta a delle contraddizioni. Questo è già contraddittorio perché gli elettroni non sono semplicemente sfere cariche, come si era ipotizzato in precedenza. Piuttosto, gli elettroni hanno alcune proprietà di onde con una certa lunghezza d'onda e alcune proprietà di sfere, come il fatto che gli elettroni possono essere "espulsi" da un atomo.

Da un punto di vista fisico, il problema degli spin degli elettroni è stato sufficientemente affrontato se lo spin dell'elettrone viene identificato con il momento magnetico misurabile o se si fa riferimento ai gradi di libertà dello spin nelle moderne teorie matematiche.

Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt

Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

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