Was sind Spins (Atome)?
Wenn ich es richtig verstanden habe, beschreiben die Spins, wie bzw. in welche Richtung sich Elektronen, die durch ihre Rotationen winzige Magnetfelder erzeugen, drehen. Ich verstehe aber nicht, weshalb man das wissen muss. Welche Rolle spielt die Richtung der Drehung?
Und warum müssen sich Elektronen in entgegengesetzte Richtungen drehen?
4 Antworten
Spin ist eine der wesentlichen Eigenschaften von Elementarteilchen (neben Masse und Ladung). Es ist die einzige Richtungsbehaftete Eigenschaft, dh sie ist ein Pseudovektor wie Drehimpuls, und sie ist eine Erhaltungsgröße wie Drehimpuls. Aber sie ist gequantelt, also sind immer nur diskrete Werte möglich.
Man sieht natürlich nichts rotieren, aber man sieht Richtungsabhängigkeit. ZB bei Photonen: der Spin von Photonen entspricht der zirkularen Polarisation elektromagnetischer Wellen (bzw er ist die Polarisation). Zwei entgegengesetzt zirkular polarisierte Wellenfelder ergeben ein linear polarisiertes, und das kann man sehen, wenn man den blauen Himmel durch eine Sonnenbrille sieht und den Kopf hin- und herneigt: er wird heller bzw dunkler, denn die Raleighstreuung des blauen Himmels produziert lineare Polarisation, und Sonnenbrillen sind Polarisationsfilter.
Warum nicht bei Oldtimern? Weil man die nicht bei feuchter Straße oder tiefstehender Sonne fährt? Oder bezog sich das Old auf das Fahr?
Das Problem sind die LCD in neueren Autos. Die kannst Du nur ablesen, wenn Du die polarisierende Sonnenbrille richtig drehst - und keine Garantie, dass "richtig" für alle Anzeigen gleich ist.
Hab's genau falsch rum verstanden. Allerdings hatte ich nie ein Auto mit LCD und seit 40 Jahren keine Sonnenbrille.
Der Spin ist das quantenphysikalische Analogon zum Eigendrehimpuls. Man darf sich das aber nicht wie eine Rotation einer Kugel vorstellen, denn das gibt es auf dieser Ebene schlicht nicht. Ein Elektron ist kein festes Teilchen, das sich drehen kann. Das ist eine diffuse Wahrscheinlichkeitswolke.
Es weiß niemand so genau, was der Spin eigentlich ist. Ein Teil des Problems wird wohl auch sein, dass unsere Vorstellungskraft bei sowas versagt. Sie es einfach als eine Teilcheneigenschaft, von der es zwei Versionen gibt, Spin up und Spin down. Und weil das Pauli-Prinzip greift, können Teilchen nicht in allen quantenmechanischen Eigenschaften (also ihren Quantenzahlen) übereinstimmen. Warum das so ist hat was mit Statistik und der Beschreibung der Teilchen zu tun und führt sehr tief in die Quantenmechanik. Für den Otto-Normal-Chemiker reicht es, das zu wissen.
Wichtig ist das dafür, weil es zur Erklärung des Atomaufbaus und der chemischen Bindung beiträgt. Daraus folgt zum Beispiel, dass in einem Orbital nur maximal zwei Elektronen sitzen können, eines mit spin up und ein anderes mit spin down. Würde ein drittes dazu kommen, wäre es in allen Quantenzahlen identisch zu einem der anderen beiden und das schließt sich ja aus wegen dem Pauli-Prinzip.
Nach dem PauliPrinzip dürfen zwei Elektronen in einem Atom nicht quantenmechanisch identisch sein, aber in einem Orbital haben zwei Elektronen Platz. Also müssen sie sich in einem Merkmal unterscheiden, was im ElektronenSpin der Fall ist.
In einige Stoffen entsteht dadurch auch ein sichtbarer, energetischer Unterschied! Das gelbe Licht von NatriumGasLampen entsteht scheinbar durch eine einzige (monochromatische) SpetralLinie, die entsprechend für einen ElektronenÜbergang steht. Tatsächlich es aber eine sehr schmale DoppelLinie, weshalb es eben zwei unterschiedliche, aber auch energetisch sehr ähnliche Übergänge sein müssen, was man mit den beiden Möglichkeiten des ElektronenSpins erklärt.
Auch bei Verbindungen mit mehreren Atome ist der Spin relevant! Im SauerstoffMolekül gibt es zwei ungepaarte, nicht bindende Elektronen, die normalerweise einen parallelen Spin besitzen (Triplett-Sauerstoff). Im angeregten Zustand können die aber auch antiparallel sein und sich dadurch dann auch in einem Orbital befinden (SingulettSauerstoff).
Es gibt auch Sauerstoff mit antiparallelem Spin in verschiedenen antibindenden Orbitalen. Der ist dann zwar ein Diradikal, aber nicht paramagnetisch.
Wegen deines kleinen aber feinen Worts "darum".
Ich verstehe aber nicht, weshalb man das wissen muss.
Müssen tut man gar nichts. Aber wenn man sich damit näher beschäftigen mag, kommt man nicht darin umhin, da der Spin grundlegende und messbare Auswirkungen hat, insbesondere, wenn man Magnetfelder anlegt. Die Feinstruktur der atonaren Spektren ist erst durch Spin erklärbar.
> Sonnenbrillen sind Polarisationsfilter
Nur manche. Insbesondere zum Autofahren (außer Oldtimer) nimmt man besser nicht-polarisierende.