Số lượng tử spin là gì?

Số lượng tử spin là số lượng tử thứ tư và biểu thị hướng của mômen động lượng nội tại của một hạt cơ bản (chẳng hạn như electron hoặc quark), của hạt hỗn hợp (chẳng hạn như neutron và proton) hoặc của toàn bộ hạt nhân nguyên tử . Như vậy, nó là một số đại diện, cùng với ba số lượng tử khác, một trạng thái lượng tử cụ thể của một hạt hạ nguyên tử.

Số lượng tử này được phát hiện trong quý đầu tiên của thế kỷ 20, sau khi thu được các phép đo quang phổ vạch phát xạ nguyên tử chính xác hơn nhiều. Kiểm tra kỹ hơn các vạch phát xạ này cho thấy chúng không phải là các vạch riêng lẻ mà là bội số của các vạch. Điều này chỉ có thể được giải thích bằng cách gán cho các electron một số lượng tử thứ tư của động lượng góc có thể được hiểu là hướng quay của electron quanh trục của chính nó , tương tự như cách một con quay (con quay) hoặc trái đất quay quanh bạn. . Trên thực tế, đây là lý do tại sao nó được gọi là quay, vì từ này bắt nguồn từ từ tiếng Anh spin có nghĩa là quay.

Vì electron có điện tích nên sự quay này tạo ra một từ trường nhỏ hướng dọc theo trục quay. Electron chỉ có thể có hai spin đối diện (+1/2 và -1/2) để nó có thể tạo ra một trong hai từ trường khả dĩ hướng ngược chiều nhau. Từ trường này chịu trách nhiệm cho việc nhân đôi các vạch phát xạ.

Các số lượng tử khác là gì?

Trước khi khám phá ra spin, chỉ có 3 số lượng tử được biết đến, xuất phát từ nghiệm toán của phương trình Schrödinger. Đó là:

• Số lượng tử chính hoặc mức năng lượng (n) . Số lượng tử này được liên kết với mức độ gần của một electron với hạt nhân. Nó càng nhỏ thì càng gần trung tâm.
• Số lượng tử thứ cấp hoặc động lượng góc ( l ). Số lượng tử này được liên kết với hình dạng của quỹ đạo mà một electron chiếm giữ.
• Số lượng tử từ (m _l ) . Gắn liền với sự định hướng trong không gian của các obitan nguyên tử.

Kết hợp lại với nhau, mỗi sự kết hợp của ba số lượng tử này xác định một quỹ đạo nguyên tử duy nhất cho một electron, trong khi spin xác định một electron cụ thể.

Các giá trị khác nhau của spin đối với các loại hạt khác nhau

Spin là một thuộc tính nội tại của các hạt cơ bản, giống như điện tích. Ngoài ra, giống như điện tích, các hạt chỉ có thể có một số giá trị spin trái dấu. Trên thực tế, spin cho phép phân biệt hai loại hạt khác nhau trong tự nhiên, theo các giá trị spin khả dĩ mà chúng có thể có, đó là fermion và boson. Sự phân loại các hạt này xuất phát từ mô hình hiện tại của vật chất, được gọi là mô hình chuẩn.

Fermion

Fermion là các hạt là một phần của cái mà chúng ta gọi là vật chất: mọi thứ có khối lượng và chiếm một vị trí trong không gian. Họ hạt này bao gồm các quark và lepton (bao gồm cả electron), được đặc trưng bởi tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, và có spin +1/2 hoặc -1/2 (thường được biểu diễn dưới dạng ↑ và ↓ hoặc spin up và quay xuống).

Khi các hạt cơ bản này kết hợp với nhau để tạo thành các hạt phức hợp (hadron), có thể thu được các số spin khác nhau như 3/2 và -3/2.

các boson

Họ boson bao gồm các hạt không tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có đặc điểm là có spin bằng 1. Người ta tin rằng có thể tồn tại các boson sơ cấp với các giá trị spin khác như 0, 2, 3, v.v. Người ta tin rằng những hạt này chịu trách nhiệm cho sự tồn tại của tất cả các lực đã biết (lực điện từ, lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu).

Tính chất của số lượng tử spin

• Nó được biểu thị bằng ký hiệu m _s hoặc bằng s.
• Là một số lượng tử, giá trị của nó được lượng tử hóa, có nghĩa là nó chỉ có thể nhận được một số giá trị nhất định là bội số của một lượng tối thiểu (lượng tử). Như đã giải thích lúc trước, spin chỉ có thể nhận các giá trị +1/2 và -1/2 đối với fermion và 1 đối với boson (mặc dù có thể có các boson khác có spin khác).
• Vòng quay chỉ có thể nhận các giá trị là bội số nguyên của ħ/2, trong đó ħ là hằng số Plank rút gọn (h/2π).
• Nếu bạn đo spin của electron dọc theo từ trường, bạn sẽ chỉ nhận được các giá trị ħ/2 hoặc – ħ/2.