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Il numero quantico di spin è il quarto numero quantico e indica l’orientamento del momento angolare intrinseco di una particella elementare (come un elettrone o un quark), di una particella composita (come neutroni e protoni), o di un intero nucleo atomico . Come tale, è un numero che rappresenta, insieme agli altri tre numeri quantici, un particolare stato quantico di una particella subatomica.
Questo numero quantico è stato scoperto durante il primo quarto del XX secolo, dopo che sono state ottenute misurazioni molto più precise degli spettri delle righe di emissione atomica. Un esame più attento di queste linee di emissione ha mostrato che non erano singole linee ma multipli di linee. Ciò potrebbe essere spiegato solo attribuendo agli elettroni un quarto numero quantico di momento angolare che potrebbe essere interpretato come la direzione di rotazione dell’elettrone attorno al proprio asse , simile a come una trottola (trottola) o la terra ruota intorno al tuo . In effetti, questo è il motivo per cui si chiama spin, poiché detta parola deriva dalla parola inglese spin che significa girare.
Poiché l’elettrone ha una carica elettrica, questa rotazione genera un piccolo campo magnetico che è diretto lungo l’asse di rotazione. L’elettrone può avere solo due spin opposti (+1/2 e -1/2) quindi può generare uno dei due possibili campi magnetici che puntano in direzioni opposte. Questo campo magnetico è responsabile del raddoppio delle righe di emissione.
Quali sono gli altri numeri quantici?
Prima della scoperta dello spin, erano noti solo 3 numeri quantici, che derivano dalla soluzione matematica dell’equazione di Schrödinger. Questi sono:
- Numero quantico principale o livello di energia (n) . Questo numero quantico è associato a quanto è vicino un elettrone al nucleo. Più è piccolo, più sarà vicino al centro.
- Numero quantico secondario o momento angolare ( l ). Questo numero quantico è associato alla forma dell’orbitale che un elettrone occupa.
- Numero quantico magnetico (m l ) . Associato all’orientamento nello spazio degli orbitali atomici.
Presi insieme, ogni combinazione di questi tre numeri quantici definisce un unico orbitale atomico per un elettrone, mentre lo spin identifica un particolare elettrone.
Diversi valori di spin per diversi tipi di particelle
Lo spin è una proprietà intrinseca delle particelle elementari, così come lo è la carica elettrica. Inoltre, come la carica elettrica, le particelle possono avere solo determinati valori di spin con segno opposto. Lo spin infatti permette di distinguere in natura due diverse classi di particelle, in base ai possibili valori di spin che possono avere, che sono fermioni e bosoni. Questa classificazione delle particelle deriva dall’attuale modello della materia, chiamato modello standard.
I Fermioni
I fermioni sono le particelle che fanno parte di ciò che conosciamo come materia: tutto ciò che ha massa e occupa un posto nello spazio. Questa famiglia di particelle comprende quark e leptoni (inclusi gli elettroni), che sono caratterizzati dal rispetto del principio di esclusione di Pauli e dall’avere spin di +1/2 o -1/2 (che di solito è rappresentato come ↑ e ↓ o spin up e girare verso il basso).
Quando queste particelle elementari si uniscono per formare particelle composite (adroni), si possono ottenere diversi numeri di spin come 3/2 e -3/2.
I Bosoni
La famiglia dei bosoni è costituita da particelle che non seguono il principio di esclusione di Pauli e sono caratterizzate dall’avere uno spin di 1. Si ritiene che i bosoni elementari possano esistere con altri valori di spin come 0, 2, 3, ecc. Si ritiene che queste particelle siano responsabili dell’esistenza di tutte le forze conosciute (forza elettromagnetica, forza gravitazionale, forza nucleare forte e forza nucleare debole).
Proprietà del numero quantico di spin
- È rappresentato dal simbolo m s o da s.
- Essendo un numero quantico, il suo valore è quantizzato, il che significa che può acquisire solo determinati valori che sono multipli di una quantità minima (il quanto). Come spiegato poco fa, lo spin può assumere solo valori di +1/2 e -1/2 per i fermioni, e 1 per i bosoni (anche se potrebbero esserci altri bosoni con spin diversi).
- Lo spin può assumere solo valori multipli interi di ħ/2, dove ħ è la costante di Plank ridotta (h/2π).
- Se misuri lo spin di un elettrone lungo un campo magnetico, otterrai solo valori di ħ/2 o – ħ/2.
