Elektronspin
Wat wordt bedoeld met elektronspin?
De elektronspin is een eigenschap van elektronen, die zich als een magnetische kracht in een magneetveld bemerkbaar maakt. Hierbij is moeilijk te zeggen, wat de elektronspin werkelijk is. In het zogenaamde Stern-Gerlach-experiment kan worden aangetoond, dat er tussen magneetvelden en elektronen een krachtwerking bestaat, die alleen door de elektronspin verklaarbaar is. Tegenwoordig kunnen veel magnetische eigenschappen van de materie zoals para- en ferromagnetisme door de elektronspin worden verklaard.Inhoudsopgave
Vele elementaire deeltjes hebben een spin.
Terwijl men zich de massa of de lading goed als eigenschappen van de elementaire deeltjes kan voorstellen, is dit bij spin moeilijker.
Een elektron bijvoorbeeld heeft een massa van 9,1•10-31
kg en een lading van -1,6•10-19
C.
De spin wordt vaak alleen als kwantumnummer gespecificeerd en bedraagt bij elektronen al naar gelang de oriëntatie +1/2 (spin "omhoog") of -1/2 (spin "omlaag").
Volgens de kwantumtheorie is de spin een vergelijkbare eigenschap als de impulsmoment.
In de mechanica wordt impulsmoment bijv.
veroorzaakt door een cirkelbeweging.
In tegenstelling tot een eenvoudige cirkelbeweging is spin echter een eigenschap, die fundamenteel onveranderlijk is.
Men kan spin weliswaar van richting veranderen, maar niet verkleinen of vergroten.
Waarneming van elektronenspin door het Stern-Gerlach-experiment
De spin werd experimenteel waargenomen met het Stern-Gerlach-experiment. Daarbij werden zilveratomen door een sterk inhomogeen magneetveld gestuurd.
In het Stern-Gerlach experiment worden zilveratomen verdampt in een oven.
De atomen (weergegeven in grijs) vliegen vervolgens uit een opening in een sterk en inhomogeen magnetisch veld (schetsmatig weergegeven in rood).
Een inhomogeen magnetisch veld heeft een zeer verschillende sterkte op verschillende punten in de ruimte.
Hierdoor werkt er een kracht op de magnetische momenten, wat leidt tot een afbuiging van de atomen op hun traject.
Aangezien de zilveratomen geen significante magnetische momenten hebben (afgezien van de elektronspin), werd voor uitvoering van het experiment verwacht dat de atomen slechts licht zouden worden afgebogen en niet in bepaalde voorkeursrichtingen, maar in een continue verdeling.
Er werden echter twee discrete vlekken waargenomen op het observatiescherm achter het magneetveld.
Er moet dus een magnetisch moment van de zilveratomen zijn dat precies twee mogelijke standen heeft en dat tot dan toe onbekend was.
Dit leidde tot de ontdekking van de elektronspin.
Hoewel men vóór het Stern-Gerlach experiment had aangenomen, dat zilveratomen geen magnetisch moment
hebben, werd er waargenomen, dat de zilveratomen in het magnetische veld werden afgebogen en er dus een magnetische kracht
op de zilveratomen werkt.
De helft van de atomen wordt bij het Stern-Gerlach experiment in een bepaalde richting afgebogen, terwijl de andere helft van de atomen precies in de tegenovergestelde richting wordt afgebogen.
Zo kon met het Stern-Gerlach-experiment worden bewezen, dat de atomen wel degelijk een magnetisch moment hebben, waarop in het inhomogene magneetveld een kracht werkt. Dit magnetische moment moet bovendien twee mogelijke richtingen hebben. De natuurkundigen eisten daarom een eigenschap van elektronen, die het waargenomen magnetische krachteffect zou verklaren. Deze eigenschap werd toen elektronspin genoemd. Vóór het Stern-Gerlach-experiment was elektronspin niet bekend, aangezien er geen reden voor was, zo'n extra spineigenschap van elektronen te eisen. Pas het Stern-Gerlach-experiment liet zien, dat er een dergelijke tot dan toe onbekende eigenschap moest bestaan. De elektronspin werd dus op basis van zijn magnetisch moment ontdekt en daarna in de kwantumtheorie ter beschrijving der elektronen opgenomen. Hij kan, zo werd vereist, slechts twee instelrichtingen hebben, namelijk spin "up" of spin "down".
De spin van een deeltje heeft belangrijke consequenties voor de beweging en locatie van het deeltje. Zo mogen volgens het principe van Pauli twee elektronen in een atoom niet in al hun eigenschappen identiek zijn. Al bij het opzetten van het periodiek systeem werd vastgesteld, dat zich altijd precies 2 elektronen in een atoom in een toestand met dezelfde energie en hetzelfde impulsmoment kunnen bevinden. Deze 2 elektronen moeten dan echter precies in hun spin verschillen. Beide elektronen hebben tegengesteld geörienteerde spins. De magnetische momenten van deze spins compenseren elkaar dan. De elektronen zijn "gepaard". Als atomen alleen zulke gepaarde elektronen hebben, dan is de totale spin van de atomen, die voor het grootste gedeelte wordt bepaald door de elektronspin, ongeveer nul. De atomen hebben dan geen totale spin, die zich in een extern magneetveld zou kunnen richten en gedragen zich diamagnetisch.
De zilveratomen in het Stern-Gerlach-experiment hebben echter een zogenaamd ongepaard elektron. Hun hieruit resulterende totale spin komt ongeveer overeen met de spin van dit elektron. Bij zuurstof bijvoorbeeld zijn zelfs 2 elektronen ongepaard en kunnen zich in het magneetveld onderling uitrichten. In beide gevallen noemt men dit paramagneten. Paramagneten richten hun spins gelijk uit in een extern magneetveld en worden daarom aangetrokken.
De figuur links toon schematisch de elektronenconfiguratie van helium (diamagnetisch) met een resulterende totaalspin van 0 en rechts de elektronenconfirguratie van triplet zuurstof met een resulterende totaalspin van 1.
De spins van de elektronen zijn als pijlen ingetekend, die symbool staan voor het toegedeelde magnetische moment.
Bij de triplet zuurstof zijn 2 elektronspins ongepaard.
De zuurstof is paramagnetisch.
Het getoonde model is niet exact en dient alleen ter illustraite.
In sommige materialen ontstaat er tussen de uitgelijnde elektronenspins een sterke wisselwerking, de zogenaamde uitwisselingsinteractie.
Ook de uitwisselingsinteractie wordt veroorzaakt door het Pauli-principe.
Als deze groter is dan de warmte-energie van de elektronen, dan gedraagt het materiaal zich in een extern magneetveld ferromagnetisch.
De elektronspins blijven dan ook na het uitschakelen van het externe magneetveld uitgelijnd, wat kan worden gemeten als remanentie, dus als een resterende magnetisatie.
Het is nu is bekend, dat ook protonen en neutronen een spin hebben, wiens magnetische werking echter duizend keer kleiner is dan bij elektronen. De spin van de protonen en neutronen wordt gevormd door de spin van de elementaire deeltjes, dus de quarks, waaruit de protonen en neutronen zijn opgebouwd.
Volgens het elementaire deeltjes model hebben alle elementaire deeltjes spins van verschillende grootte. De spin kan in principe worden gedetecteerd via zijn magnetisch moment. Volgens de vergelijkingen van Maxwell, de wetten van elektriciteit en magnetisme, ontstaat een magnetisch moment altijd door een stroom, d.w.z. door een beweging van elektronen.
Concept van de elektronspin: Tot op heden onbevredigend beantwoord
Wat de elektronspin daadwerkelijk is, kan tot op heden naar tevredenheid worden beantwoord. In het verleden stelde men zich de spin als de draaiing van bolvormige elementaire deeltjes om hun eigen as voor.Het leidt echter tot tegenstrijdigheden, wanneer men zich de spin van de elektronen als een rotatie om de eigen as voorstelt. Dit is alleen al tegenstrijdig vanwege het feit dat de elektronen niet gewoon geladen bollen zijn, zoals men vroeger had aangenomen. Elektronen hebben veeleer bepaalde eigenschappen van golven met een bepaalde golflengte en bepaalde eigenschappen van bollen, zoals bijvoorbeeld het feit, dat men elektronen doelgericht uit een atoom kan "wegslaan".
Vanuit fysisch oogpunt is het probleem der elektronspins voldoende aangepakt door de elektronspin te identificeren met het meetbare magnetische moment of door te verwijzen naar vrijheidsgraden van spin in moderne wiskundige theorieën.
Auteur:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Het auteursrecht op de complete inhoud van het compendium (teksten, foto's, afbeeldingen etc.) ligt bij de auteur Franz-Josef Schmitt. Het exclusieve gebruiksrecht van het werk ligt Webcraft GmbH, Zwitserland (als exploitant van supermagnete.nl). Zonder uitdrukkelijke toestemming van Webcraft GmbH mag de inhoud noch worden gekopieerd, noch op andere wijze worden gebruikt. Uw suggesties ter verbetering of uw lof aangaande het compendium stuurt u alstublieft per e-mail aan
[email protected]
© 2008-2024 Webcraft GmbH
© 2008-2024 Webcraft GmbH