Putar dengan kata-kata sederhana. Dunia ini indah

© Martir Ilmu Pengetahuan.

Notasi berikut diterima:
- Vektor – dengan huruf yang sedikit tebal ukuran lebih besar dibandingkan teks lainnya.W, g, A.
- penjelasan sebutan pada tabel – dicetak miring.
- indeks bilangan bulat – dicetak tebal dan berukuran biasa.m, saya, j .
- variabel dan rumus non-vektor – dicetak miring sedikit lebih besar:Q, R, k, dosa, karena .

Momen impulsif. tingkat sekolah.

Momentum sudut mencirikan besarnya gerak rotasi. Ini adalah besaran yang bergantung pada seberapa banyak massa yang berputar, bagaimana distribusinya relatif terhadap sumbu rotasi, dan pada kecepatan rotasi yang terjadi.
Momentum momentum sumbu putarZdumbel terbuat dari dua bola massaM, yang masing-masing terletak pada jarak tertentuakudari sumbu rotasi, s kecepatan linier bolaV, adalah sama dengan:

M= 2·m·l·V ;

Nah, tentu saja rumusnya mengatakan 2 karena halter memiliki dua bola.

Momen impulsif. tingkat universitas.

momentumL poin materi (momentum sudut, momentum sudut, momentum orbital, momentum sudut) relatif terhadap beberapa asal ditentukanhasil kali vektor dari vektor jari-jari dan momentumnya:

L= [ R X P]

Di mana R- vektor radius partikel relatif terhadap titik acuan tetap yang dipilih dalam kerangka acuan yang diberikan,P- momentum partikel.
Untuk beberapa partikel, momentum sudut didefinisikan sebagai jumlah (vektor) dari suku-suku berikut:

L= Σ saya[ r i X pi saya]

Di mana r i , pi saya- vektor jari-jari dan momentum setiap partikel yang memasuki sistem, momentum sudutnya ditentukan.
Pada limitnya, jumlah partikel bisa tidak terhingga, misalnya pada kasus padat dengan massa yang terdistribusi secara kontinyu atau sistem yang terdistribusi secara umumini dapat ditulis sebagai

L= ∫ R xd P

dimana D P- momentum elemen titik sistem yang sangat kecil.
Dari definisi momentum sudut dapat disimpulkan bahwa aditifnya baik untuk sistem partikel tertentu maupun untuk sistem yang terdiri dari beberapa subsistem terpenuhi:

L Σ= Σ sayaaku

Pengalaman Stern dan Gerlach.

Pada tahun 1922, fisikawan melakukan percobaan yang menemukan bahwa atom perak memiliki momentum sudutnya sendiri. Apalagi proyeksi momentum sudut ini ke sumbuZ(lihat gambar) ternyata sama dengan suatu nilai positif atau nilai negatif, tetapi tidak nol. Hal ini tidak dapat dijelaskan dengan momentum sudut orbital elektron dalam atom perak. Karena momen orbital antara lain memberikan proyeksi nol. Dan di sini ada plus dan minusnya, dan tidak ada yang nol. Selanjutnya pada tahun 1927, hal ini ditafsirkan sebagai bukti adanya spin pada elektron.
Dalam percobaan Stern dan Gerlach (1922) dengan penguapan di tungku vakum atom perak atau logam lain dengan bantuan celah tipis terbentuk berkas atom sempit (Gbr.).

Sinar ini dilewatkan melalui medan magnet yang tidak seragam dengan gradien induksi magnet yang signifikan. Induksi medan magnetBdalam percobaan itu besar dan diarahkan sepanjang sumbuZ. Atom-atom yang terbang di celah magnet sepanjang arah medan magnet dikenai gayaFz, disebabkan oleh gradien induksi medan magnet yang tidak seragam dan bergantung pada besarnya proyeksi momen magnet atom terhadap arah medan. Gaya ini membelokkan atom yang bergerak ke arah sumbunyaZ, dan ketika magnet lewat, atom yang bergerak semakin dibelokkan, semakin besar besar gayanya. Dalam hal ini, sebagian atom dibelokkan ke atas dan sebagian lagi ke bawah.
Dari sudut pandang fisika klasik, atom perak yang terbang melalui magnet seharusnya membentuk strip cermin lebar yang terus menerus pada pelat kaca.
Jika, seperti prediksi teori kuantum, terjadi kuantisasi spasial, dan proyeksi momen magnetP Z M atom hanya mengambil nilai diskrit tertentu, kemudian di bawah pengaruh gayaF Zberkas atom harus terpecah menjadi sejumlah berkas yang terpisah, yang, jika menempel pada pelat kaca, menghasilkan serangkaian strip cermin diskrit sempit dari atom-atom yang diendapkan. Inilah hasil yang diamati dalam percobaan. Hanya ada satu hal: tidak ada garis di tengah-tengah piring.
Tapi ini belum merupakan penemuan spin elektron. Dengan baik seri diskrit momentum sudut atom perak, lalu kenapa? Namun, para ilmuwan terus berpikir kenapa tidak ada garis ditengah piringnya?
Seberkas atom perak yang tidak tereksitasi terbelah menjadi dua berkas, yang menempatkan dua strip cermin sempit pada pelat kaca, bergeser secara simetris ke atas dan ke bawah. Mengukur pergeseran ini memungkinkan untuk menentukan momen magnetis atom perak yang tidak tereksitasi. Proyeksinya terhadap arah medan magnet ternyata sama dengan+ μB atau -μB. Artinya, momen magnetis atom perak yang tidak tereksitasi ternyata sangat ketat Bukan sama dengan nol. Tidak ada penjelasan untuk ini.
Namun, dari ilmu kimia diketahui bahwa valensi perak sama dengan +1 . Artinya, terdapat satu elektron aktif pada kulit elektron terluar. Dan jumlah elektron dalam suatu atom adalah ganjil.

Hipotesis putaran elektron

Kontradiksi antara teori dan pengalaman bukan satu-satunya yang ditemukan dalam berbagai eksperimen. Perbedaan yang sama diamati ketika mempelajari struktur halus spektrum optik logam alkali (yang juga bersifat monovalen). Dalam percobaan dengan feromagnet, ditemukan nilai rasio gyromagnetik yang anomali, berbeda dari nilai yang diharapkan sebanyak dua kali lipat.
Pada tahun 1924 Wolfgang Pauli memperkenalkan derajat kebebasan internal dua komponen untuk menggambarkan spektrum emisi elektron valensi di logam alkali.
Sekali lagi, sungguh mengejutkan betapa para ilmuwan Barat dengan mudah menemukan partikel, fenomena, dan realitas baru untuk menjelaskan partikel, fenomena, dan realitas lama. Dengan cara yang sama, Higgs boson diperkenalkan untuk menjelaskan massa. Berikutnya adalah boson Schmiggs yang menjelaskan boson Higgs.
Pada tahun 1927, Pauli memodifikasi persamaan Schrödinger yang baru ditemukan untuk memperhitungkan variabel spin. Persamaan yang dimodifikasi dengan cara ini sekarang disebut persamaan Pauli. Dengan uraian ini, elektron memiliki bagian spin baru dari fungsi gelombang, yang dijelaskan oleh spinor - sebuah “vektor” dalam ruang spin dua dimensi abstrak.
Hal ini memungkinkan dia untuk merumuskan prinsip Pauli, yang menyatakan bahwa dalam beberapa sistem partikel yang berinteraksi, setiap elektron harus memiliki kumpulan bilangan kuantum yang tidak berulang (semua elektron berada dalam keadaan berbeda pada setiap momen waktu). Karena interpretasi fisik dari putaran elektron tidak jelas sejak awal (dan hal ini masih terjadi), pada tahun 1925 Ralph Kronig (asisten fisikawan terkenal Alfred Lande) menyatakan bahwa putaran tersebut adalah hasil dari rotasi elektron itu sendiri.
Semua kesulitan teori kuantum ini diatasi ketika, pada musim gugur tahun 1925, J. Uhlenbeck dan S. Goudsmit mendalilkan bahwa elektron adalah pembawa momen mekanis dan magnetik “sendiri”, yang tidak berhubungan dengan gerakan elektron di ruang angkasa. Artinya, ia mempunyai putaranS = ½ ћ dalam satuan konstanta Diracћ , dan momen magnet putaran sama dengan magneton Bohr. Asumsi ini diterima oleh komunitas ilmiah karena penjelasannya cukup memuaskan fakta yang diketahui.
Hipotesis ini disebut hipotesis spin elektron. Nama ini terkait dengan kata bahasa Inggrisputaran, yang diterjemahkan sebagai "berputar", "berputar".
Pada tahun 1928, P. Dirac menggeneralisasi lebih lanjut teori kuantum ke dalam kasus gerak partikel relativistik dan memperkenalkan besaran empat komponen - bispinor.
Mekanika kuantum relativistik didasarkan pada persamaan Dirac, yang aslinya ditulis untuk elektron relativistik. Persamaan ini jauh lebih kompleks daripada persamaan Schrödinger dalam strukturnya dan peralatan matematika yang digunakan untuk menuliskannya. Kami tidak akan membahas persamaan ini. Anggap saja dari persamaan Dirac keempat, bilangan kuantum spin diperoleh “alami” seperti tiga bilangan kuantum saat menyelesaikan persamaan Schrödinger.
Dalam mekanika kuantum, bilangan kuantum untuk putaran tidak sesuai dengan bilangan kuantum untuk momentum orbital partikel, sehingga mengarah pada interpretasi putaran yang non-klasik. Selain itu, putaran dan momentum orbital partikel memiliki hubungan yang berbeda dengan momen dipol magnet yang menyertai setiap rotasi partikel bermuatan. Khususnya, dalam rumus putaran dan momen magnetnya, rasio gyromagnetik tidak sama 1 .
Konsep spin elektron digunakan untuk menjelaskan banyak fenomena, seperti susunan atom dalam tabel periodik unsur kimia, struktur halus spektrum atom, efek Zeeman, feromagnetisme, dan juga untuk mendukung prinsip Pauli. Bidang penelitian baru yang disebut "spintronics" berkaitan dengan manipulasi putaran muatan pada perangkat semikonduktor. Resonansi magnetik nuklir menggunakan interaksi gelombang radio dengan putaran inti, memungkinkan spektroskopi unsur kimia dan pencitraan organ dalam dalam praktik medis. Untuk foton sebagai partikel cahaya, putaran berkaitan dengan polarisasi cahaya.

Model putaran mekanis.

Pada 20-30an abad terakhir, banyak eksperimen dilakukan yang membuktikan adanya spin pada partikel elementer. Eksperimen telah membuktikan realitas putaran sebagai momen rotasi. Tapi dari mana asal rotasi elektron atau proton ini?

Mari kita asumsikan dengan cara yang paling sederhana bahwa elektron adalah bola padat yang kecil. Kami berasumsi bahwa bola ini memiliki kepastian kepadatan rata-rata dan beberapa parameter fisik, mendekati nilai eksperimental dan teoritis yang diketahui dari elektron nyata. Kami memiliki nilai eksperimental:
Massa diam elektron:Saya
Putaran elektron S e = ½ ћ
Sebagai ukuran linier suatu objek, kami mengambil panjang gelombang Comptonnya, yang dikonfirmasi baik secara eksperimental maupun teoritis. Panjang gelombang elektron Compton:

Jelas sekali ini adalah diameter benda tersebut. Jari-jarinya 2 kali lebih kecil:

Kami memiliki besaran teoretis yang diperoleh dari mekanika dan fisika kuantum.
1) Hitung momen inersia bendaYaitu . Karena kami tidak mengetahui bentuknya dengan pasti, kami memperkenalkan faktor koreksike e, yang, tergantung pada bentuknya, secara teori dapat berkisar dari hampir 0,0 (jarum berputar mengelilingi sumbu panjang) sampai 1,0 (dengan bentuk dumbbell panjang persis seperti gambar di awal artikel atau donat lebar tapi tipis). Misalnya, nilai 0,4 dicapai dengan bentuk bola yang tepat. Jadi:

2) Dari rumusnya S = SAYA· ω , kita mencari kecepatan sudut rotasi benda:

3) Kecepatan sudut ini sesuai dengan kecepatan linierV"permukaan" elektron:

Atau

V = 0,4 C;

Jika kita ambil, seperti pada gambar di awal artikel, sebuah elektron yang berbentuk seperti halter, maka kita dapatkan

V = 0,16 C;

4) Kami melakukan perhitungan proton atau neutron dengan cara yang sangat mirip. Kecepatan linier “permukaan” proton atau neutron untuk model bola sama persis, 0,4C:

5) Menarik kesimpulan. Hasilnya tergantung pada bentuk benda (koefisienksaat menghitung momen inersia) dan dari koefisien dalam rumus spin elektron atau proton (½). Tapi, apa pun kata orang, rata-rata berhasilsekitar, mendekati kecepatan cahaya. Baik elektron maupun proton. Tidak lebih dari kecepatan cahaya! Suatu hasil yang hampir tidak bisa disebut kebetulan. Kami membuat perhitungan yang “tidak berarti”, namun mendapatkan hasil yang benar-benar bermakna dan menonjol!

Bukan seperti itu kawan! - kata Vladimir Vysotsky. Ini bukan sinyal, ini dilema: salah satu - atau! Entah sesuatu yang menjadi dua, atau sesuatu yang berkeping-keping. Einstein dan Schrödinger membuat argumen ini tidak ada artinya, karena menurut Einstein, dengan kecepatan setara dengan kecepatan cahaya, massa bertambah hingga tak terhingga, dan menurut Schrödinger, massa tidak memiliki bentuk maupun ukuran. Namun, segala sesuatu di dunia ini “relatif” dan tidak diketahui apa dan siapa yang menghilangkan makna siapa. Teori Gukuum memiliki jawaban yang menyatakan pusaran gelombang - elektron, di Gukuum berputar dengan kecepatan linier cahaya! Sebenarnya massa - ia selalu bergerak dan selalu secara eksklusif dengan kecepatan cahaya. Sebuah elektron dan proton, setiap unsur di dalamnya, setiap titik bergerak sepanjang lintasan tertutupnya sendiri dan tidak lain adalah kecepatan cahaya. Inilah arti sebenarnya dan sederhana dari rumus tersebut:

Ini praktis dua kali lipat rumus energi kinetik gelombang. Mengapa dua kali lipat? – Karena pada gelombang elastik separuh energinya bersifat kinetik, dan separuh energi lainnya bersifat tersembunyi, potensial, dalam bentuk deformasi medium tempat rambat gelombang.

Frasa yang menjelaskan putaran elektron.

Apa sifat fisik keberadaan spin elektron jika tidak dapat dijelaskan dari sudut pandang mekanis? Tidak ada jawaban atas pertanyaan ini tidak hanya dalam fisika klasik, tetapi juga dalam kerangka mekanika kuantum non-relativistik, yang didasarkan pada persamaan Schrödinger. Spin diperkenalkan dalam bentuk beberapa hipotesis tambahan yang diperlukan untuk menyelaraskan eksperimen dan teori.

Penalaran tentang bentuk atau struktur internal partikel elementer, seperti elektron, dengan mudah diklasifikasikan sebagai “tidak berarti” dalam fisika modern. Karena Anda tidak dapat melihatnya dengan mata Anda, maka tidak ada yang perlu ditanyakan! Mikroba lahir dengan ditemukannya mikroskop (Mikhail Genin). Upaya penalaran seperti itu selalu diakhiri dengan kata-kata bahwa,

Frase No.1.
Hukum dan konsep fisika klasik tidak lagi berlaku di dunia mikro.
Jika lokasi objek itu sendiri tidak diketahui, iniΨ -fungsi, lalu apa yang dapat kita katakan tentang strukturnya? Dioleskan - dan hanya itu. Tidak ada perangkat.
Hal yang sama juga dikatakan tentang arti fisik momentum sudut - putaran elektron (proton). Sepertinya ada putaran, ada juga putaran, tapi

Frase No.2.
Menanyakan seperti apa rotasi ini “tidak masuk akal.”
Ada analogi di dunia makro. Katakanlah kita ingin bertanya kepada seorang oligarki: bagaimana Anda memperoleh miliaran dolar? Atau di mana Anda menyimpan barang curian tersebut? - Dan mereka menjawab Anda: pertanyaan Anda tidak masuk akal! Sebuah rahasia yang disegel dengan tujuh segel.

Frase No.3.
Putaran elektron tidak memiliki analogi klasik.
Artinya, putaran tersebut tampaknya memiliki semacam analog, tetapi tidak memiliki analog klasik. Tampaknya mencirikan sifat internal partikel kuantum yang terkait dengan adanya tingkat kebebasan tambahan. Karakteristik kuantitatif dari derajat kebebasan ini adalah putaranS= ½ ћ adalah nilai elektron yang sama dengan, misalnya, massanyaM 0 dan mengisi daya - e. Namun, putaran sebenarnya adalah rotasi, momen rotasi dan diwujudkan dalam eksperimen.

Frase No.4.
Spin diperkenalkan dalam bentuk hipotesis tambahan yang tidak mengikuti prinsip dasar teori, tetapi diperlukan untuk menyelaraskan eksperimen dan teori. .

Frase No.5.
Putaran adalah suatu sifat internal, seperti massa atau muatan, yang memerlukan pembenaran khusus yang belum diketahui .
Dengan kata lain. Putaran (dari bahasa Inggris spin - spin, rotasi) adalah momentum sudut intrinsik partikel elementer, yang bersifat “kuantum” dan tidak berhubungan dengan pergerakan partikel secara keseluruhan. Berbeda dengan momentum sudut orbital, yang dihasilkan oleh pergerakan partikel di ruang angkasa, putaran tidak berhubungan dengan gerakan apa pun di ruang angkasa. Putaran diduga merupakan karakteristik kuantum internal dan eksklusif yang tidak dapat dijelaskan dalam kerangka mekanika.

Frase No.6.
Namun, terlepas dari asal usulnya yang misterius, putaran adalah kuantitas fisik yang ada secara objektif dan dapat diukur sepenuhnya.
Pada saat yang sama, ternyata putaran (dan proyeksinya ke sumbu mana pun) hanya dapat mengambil nilai bilangan bulat atau setengah bilangan bulat dalam satuan konstanta Diracħ = H/2π. Di mana H– Konstanta Planck. Untuk partikel yang mempunyai putaran setengah bilangan bulat, proyeksi putarannya tidak sama dengan nol.

Frase No.7.
Ada suatu ruang keadaan yang sama sekali tidak berhubungan dengan pergerakan suatu partikel di ruang biasa. Generalisasi gagasan ini ke dalam fisika nuklir memunculkan konsep spin isotop, yang beroperasi di "ruang isospin khusus".
Seperti kata pepatah, giling dan giling saja!
Selanjutnya, ketika menggambarkan interaksi yang kuat, internal ruang warna dan “warna” bilangan kuantum adalah analogi putaran yang lebih kompleks.
Artinya, jumlah misteri bertambah, tetapi semuanya terpecahkan dengan hipotesis bahwa ada keadaan ruang tertentu yang tidak terkait dengan pergerakan partikel di ruang biasa.

Frase No.8.
Jadi, dalam istilah yang paling umum, kita dapat mengatakan bahwa momen mekanis dan magnetis elektron muncul sebagai konsekuensi efek relativistik dalam teori kuantum.

Frase No.9.
Putaran (dari bahasa Inggris spin - twirl, rotasi) adalah momentum sudut intrinsik partikel elementer, yang bersifat kuantum dan tidak berhubungan dengan pergerakan partikel secara keseluruhan.

Frase No.10.
Keberadaan spin dalam sistem partikel yang berinteraksi identik menjadi penyebab fenomena mekanika kuantum baru yang tidak memiliki analogi dalam mekanika klasik: interaksi pertukaran.

Frase 11.
Sebagai salah satu manifestasi momentum sudut, spin dalam mekanika kuantum dijelaskan oleh operator spin vektor ŝ, yang aljabar komponennya sepenuhnya bertepatan dengan aljabar operator momentum sudut orbital aku . Namun, tidak seperti momentum sudut orbital, operator putaran tidak dinyatakan dalam variabel klasik, dengan kata lain hanya berupa besaran kuantum.
Konsekuensi dari hal ini adalah kenyataan bahwa putaran (dan proyeksinya ke sumbu mana pun) tidak hanya dapat mengambil nilai bilangan bulat, tetapi juga setengah bilangan bulat.

Frase 12.
Dalam mekanika kuantum, bilangan kuantum untuk putaran tidak sesuai dengan bilangan kuantum untuk momentum orbital partikel, sehingga mengarah pada interpretasi putaran yang non-klasik.
Seperti kata pepatah, jika Anda sering mengulangi sesuatu, Anda mulai mempercayainya. Sekarang mereka bilang, demokrasi, demokrasi, supremasi hukum. Dan orang-orang menjadi terbiasa dan mulai percaya.
Yang juga digunakan secara implisit adalah terjemahan dari kata Bahasa Inggris"berputar" - dari bahasa Inggris. memutar. Katanya orang Inggris tahu arti spin, hanya saja penerjemahnya tidak bisa menerjemahkannya dengan bijaksana.

Struktur elektron.

Seperti yang ditunjukkan oleh upaya mencari ukuran elektron di Google, hal ini juga merupakan misteri yang sama bagi semua fisikawan seperti sifat putaran elektron. Cobalah, dan Anda tidak akan menemukannya di mana pun, baik di Wikipedia maupun di Ensiklopedia Fisik. Berbagai tokoh dikemukakan. Dari sepersekian persen ukuran proton, hingga ribuan ukuran proton. Dan tanpa mengetahui ukuran elektron, atau bahkan lebih baik lagi, struktur elektron, mustahil untuk memahami asal mula putarannya.
Sekarang mari kita bahas penjelasan spin dari posisi elektron struktural. Dari perspektif teori alam semesta elastis. Seperti inilah rupa elektron.

Yang ditampilkan di sini bukanlah cincin keras atau bagel, melainkan cincin gelombang. Artinya, gelombang berjalan melingkar, matematika memberikan solusi seperti itu. Berputar dalam lingkarandengan kecepatan cahaya, dan (!) Cincin yang berdekatan bergerak berlawanan arah. Sebenarnya gambar berikut merupakan ilustrasi rumus distribusi energi di dalam elektron:

Bagi yang berminat bisa dengan mudah mengecek rumus ini.
Di SiniQ– koordinat radial.
Rotasi cincin komponen inilah yang menciptakan momentum sudut internal total yang bukan nol - putaran elektron. Inilah kunci munculnya putaran yang masih menjadi misteri dalam ilmu pengetahuan konvensional. Benar, tidak ada seorang pun yang benar-benar berusaha memecahkan teka-teki ini, tetapi ini adalah pertanyaan terpisah.
Rotasi cincin-cincin tetangga dalam arah yang berlawanan inilah yang, pertama, memberikan konvergensi integral terhadap momen rotasi, dan kedua, menciptakan ketidaksesuaian antara momen magnet dan putaran.
Gambar (perkiraan) ini hanya menunjukkan cincin utama dan terdekat; jumlahnya tak terbatas. Keseluruhan benda adalah satu kesatuan, sangat stabil, tidak ada bagian yang dapat dihilangkan. Dan keseluruhan ini adalah partikel dasar, elektron Ini bukan fiksi, bukan fantasi, bukan penyesuaian. Sekali lagi, ini adalah matematika yang ketat!
Biarlah mereka yang percaya bahwa dalam atom hidrogen (kasus paling sederhana) terdapat elektron yang berputar mengelilingi nukleus tidak akan terkejut. Tidak, itu tidak berputar secara keseluruhan di sekitar inti. Hanya saja elektron adalah awan, awan gelombang nyata, dan tetap demikian meskipun ia tunggal dan bebas. Hanya saja inti atom hidrogen berada di dalam elektron.

Penjelasan tentang fenomena putaran.

Dan yang tersisa hanyalah menghitung momentum sudut yang diberikan struktur yang kompleks dari bagel gelombang.
Momentum sudut suatu elektron ditentukan sebagai berikut.
- Terdapat distribusi energi pada elektron. Saat berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya, arah pergerakan energi berubah ke arah sebaliknya.
Jadi, masuk akal rumus umum untuk proyeksi momentum sudut semua partikelMz, memiliki bentuk:

R- nilai yang ditentukan sebelumnya.

Di bawah tanda integral ada empat elemen, yang diberi tanda kurung siku untuk kejelasan. Tanda kurung siku pertama berisi unsur-unsur kerapatan massa elektron (perbedaan energi -C 2 dalam penyebut), dengan mempertimbangkan “pelapisan” gelombang berjalan pada dirinya sendiri (R 2 dalam penyebutnya) dan juga dengan memperhatikan tanda massa tersebut akan masuk ke dalam rumus momentum sudut (fungsitanda). Artinya, tergantung arah putaran elemen ini. Tanda kurung siku kedua adalah jarak dari sumbu rotasi – sumbuZ. Tanda kurung siku ketiga adalah kecepatan pergerakan elemen massa, kecepatan cahaya. Yang keempat adalah unsur volume. Artinya, inilah momen impuls dalam pengertian klasiknya.

Persamaan momentum sudut ini tidak dinyatakan akurat secara kuantitatif, meskipun hal ini tidak dikecualikan. Namun memberikan gambaran korelasi distribusi momentum sudut. Dan seperti yang akan menjadi jelas dari hasil akhir, definisi momentum sudut seperti itu juga memberikan nilai kuantitatif momentum sudut yang baik (sampai tanda).
Momentum sudut total elektron setelah integrasi numerik:

Di mana L 1 Dan L 2 - Koefisien Lame Gukuum (karakteristik elastisitas). Mereka disediakan di situs web yang ditentukan.
Analisis menunjukkan, rumus ini sangat cocok dengan hasil fisik yang diketahui. Namun analisisnya terlalu banyak untuk diposting di sini.

Perbandingan ukuran partikel teoritis dan eksperimental.

Untuk itulah prosedur ini dilakukan. Putaran dan massa eksperimental mereka yang diketahui disubstitusikan ke dalam rumus teoretis yang ditemukan tentang hubungan antara ukuran partikel, massa, dan putarannya. Kemudian ukuran partikel (semi-) teoritis dihitung dan dibandingkan dengan ukuran partikel eksperimental yang diketahui. Ternyata lebih nyaman.
Notasi yang diperkenalkan: loki (0,0), (1,0) dan (1,1) masing-masing adalah elektron, neutron dan proton.

Nilai-nilai teoritis.

Apa hubungan antara besaran-besaran tersebutλ 0,0, λ 1.0, λ 1.1dengan ukuran partikel sebenarnya? Jika Anda melihat distribusi teoritis kerapatan partikel (atau pola elektron), Anda dapat melihat bahwa mereka didistribusikan dalam gelombang, dengan penurunan. Jari-jari efektif setiap partikel, hingga jari-jari yang menutupi sebagian besar massa (yaitu kepadatan 3-4 gelombang) kira-kira sama dengan:

R 0,0 ≈ 2,5 π unit Q ;

R 1,0 ≈ 2 π unit Q ;

R 1,1 ≈ 2 π unit Q .

Di mana H- konstanta Planck yang biasa, tidak dicoret.
Biarkan dia yang memiliki mata melihat: jari-jari efektif kunci teoritis (0,0), (1,0) dan (1,1) sama dengan hampir setengah panjang gelombang Compton elektron, neutron dan proton. Artinya, panjang gelombang Compton suatu partikel bertindak sebagai diameternya.

Panjang gelombang Compton adalah ukuran linier, dan massa suatu partikel mencirikan volume partikel, yaitu ukuran linier dalam sebuah kubus. Seperti yang Anda lihat, dalam rumusnya, massa ada di penyebutnya. Oleh karena itu, Anda tidak boleh menganggap serius rumus ini. Menurut pendapat kami, lebih tepat jika ukuran partikel dianggap sebagai nilai yang sebanding dengan berikut:

Di mana K– beberapa koefisien proporsionalitas.
Awalnya, proton berukuran 12 kali lebih kecil (ukurannya) daripada elektron dan dengan mudah masuk ke dalam lubang pusat elektron. Dan kemudian, ketika sebuah elektron berinteraksi dengan proton, elektron tersebut mengubah keadaannya (dalam medan proton) dan mengembang lagi sebanyak 40 kali, dan hal ini tidak mengherankan.

Beginilah cara kerja atom hidrogen (proton kuning di dalam elektron abu-abu).
Seperti diketahui dari fisika resmi, ukuran elektron Compton(Komputasi R=1,21▪10 -10cm .) kira-kira 40 kali lebih kecil dari ukuran atom hidrogen (jari-jari Bohr pertama adalah:R boron=0,53▪10 -8cm .). Ini jelas merupakan kontradiksi dengan teori kami, yang perlu dihilangkan dan diklarifikasi. Atau, ketika hidrogen terbentuk, elektron (seperti awan gelombang) berubah bentuk dan meregang. Pada saat yang sama, ia menyelubungi proton. Atau kita perlu mempertimbangkan kembali apa itu jari-jari Bohr dan apa arti fisisnya. Fisika dalam hal ukuran partikel perlu direvisi total.

Definisi 1

Putaran elektron(dan mikropartikel lainnya) adalah besaran kuantum yang tidak memiliki analogi klasik. Ini adalah sifat internal elektron, yang dapat diibaratkan sebagai muatan atau massa. Konsep putaran dikemukakan oleh fisikawan Amerika D. Uhlenbeck dan S. Goudsmit untuk menjelaskan keberadaan struktur halus garis spektrum. Para ilmuwan berpendapat bahwa elektron memiliki momentum sudut mekanisnya sendiri, yang tidak berhubungan dengan pergerakan elektron di ruang angkasa, yang disebut spin.

Jika kita berasumsi bahwa sebuah elektron mempunyai spin (momentum sudut mekanisnya ($(\overrightarrow(L))_s$)), maka elektron tersebut pasti mempunyai momen magnetnya ($(\overrightarrow(p))_(ms) $). Sesuai dengan kesimpulan umum fisika kuantum, putaran dikuantisasi sebagai:

di mana $s$ adalah bilangan kuantum putaran. Menggambar analogi dengan momentum sudut mekanik, proyeksi putaran ($L_(sz)$) dikuantisasi sedemikian rupa sehingga jumlah orientasi vektor $(\overrightarrow(L))_s$ sama dengan $2s+ 1.$ Dalam percobaan Stern dan Gerlach, para ilmuwan mengamati dua orientasi, maka $2s+1=2$, oleh karena itu, $s=\frac(1)(2)$.

Dalam hal ini, proyeksi putaran ke arah medan magnet luar ditentukan oleh rumus:

di mana $m_s=\pm \frac(1)(2)$ adalah bilangan kuantum putaran magnet.

Ternyata data eksperimen menyebabkan perlunya memperkenalkan tingkat kebebasan internal tambahan. Untuk deskripsi lengkap keadaan elektron dalam atom diperlukan: bilangan kuantum utama, orbital, magnetik, dan spin.

Dirac kemudian menunjukkan bahwa keberadaan spin mengikuti persamaan gelombang relativistik yang diturunkannya.

Atom dari kelompok valensi pertama tabel periodik memiliki elektron valensi dalam keadaan $l=0$. Dalam hal ini, momentum sudut seluruh atom sama dengan spin elektron valensi. Oleh karena itu, ketika atom-atom tersebut ditemukan, kuantisasi spasial momentum sudut suatu atom dalam medan magnet, ini menjadi bukti adanya putaran hanya dalam dua orientasi dalam medan luar.

Bilangan kuantum spin, berbeda dari bilangan kuantum lainnya, adalah bilangan pecahan. Nilai kuantitatif spin elektron dapat dicari sesuai dengan rumus (1):

Untuk elektron yang kita punya:

Kadang-kadang dikatakan bahwa putaran elektron berorientasi terhadap atau melawan arah kekuatan medan magnet. Pernyataan ini tidak akurat. Karena ini sebenarnya berarti arah komponennya $L_(sz).$

dimana $(\mu )_B$ adalah magneton Bohr.

Mari kita cari rasio proyeksi $L_(sz)$ dan $p_(ms_z)$, menggunakan rumus (4) dan (5), kita punya:

Ekspresi (6) disebut rasio spin gyromagnetic. Ini dua kali rasio gyromagnetik orbital. Dalam notasi vektor, rasio gyromagnetik ditulis sebagai:

Eksperimen Einstein dan de Haas menentukan rasio putaran gyromagnetik untuk feromagnet. Hal ini memungkinkan untuk menentukan sifat putaran dari sifat magnetik feromagnet dan memperoleh teori feromagnetisme.

Contoh 1

Latihan: Tentukan nilai numerik dari: 1) momentum sudut mekanik (spin) elektron, 2) proyeksi spin elektron terhadap arah medan magnet luar.

Larutan:

Sebagai dasar untuk memecahkan masalah, kami menggunakan ungkapan:

dimana $s=\frac(1)(2)$. Mengetahui nilai $\hbar =1.05\cdot (10)^(-34)J\cdot s$, mari kita lakukan perhitungan:

Sebagai dasar penyelesaian masalah, kami menggunakan rumus:

di mana $m_s=\pm \frac(1)(2)$ adalah bilangan kuantum putaran magnet. Oleh karena itu, perhitungannya dapat dilakukan:

Menjawab:$L_s=9.09\cdot (10)^(-35)(\rm J)\cdot (\rm s),\ L_(sz)=\pm 5.25\cdot (10)^(-35) J\cdot s .$

Contoh 2

Latihan: Berapakah momen magnet putaran elektron ($p_(ms)$) dan proyeksinya ($p_(ms_z)$) terhadap arah medan luar?

Larutan:

Momen spin magnetik suatu elektron dapat ditentukan dari hubungan gyromagnetik sebagai:

Momentum sudut mekanik (spin) elektron dapat dicari sebagai berikut:

dimana $s=\frac(1)(2)$.

Mengganti ekspresi spin elektron ke dalam rumus (2.1), kita mendapatkan:

Kami menggunakan besaran yang diketahui untuk elektron:

Mari kita hitung momen magnetnya:

Dari percobaan Stern dan Gerlach ditemukan bahwa $p_(ms_z)$ (proyeksi momen magnet elektron sendiri) sama dengan:

Mari kita hitung $p_(ms_z)$ untuk elektron:

Menjawab:$p_(ms)=1,6\cdot (10)^(-23)A\cdot m^2,\ p_(ms_z)=9,27\cdot (10)^(-24)A\cdot m^ 2.$

Ketika mempelajari spektrum atom hidrogen, ditemukan bahwa mereka memiliki struktur doublet (setiap garis spektral terbagi menjadi dua garis). Untuk menjelaskan fenomena ini, diasumsikan bahwa elektron memiliki momentum sudut mekanisnya sendiri - spin (). Awalnya, spin dikaitkan dengan rotasi elektron pada porosnya. Belakangan ternyata hal tersebut salah. Putaran adalah sifat kuantum intrinsik sebuah elektron—tidak memiliki analogi klasik. Putaran dikuantisasi menurut hukum:

Di mana - memutar bilangan kuantum.

Dengan analogi momentum sudut orbital, proyeksinya
putaran dikuantisasi sehingga menjadi vektor dapat menerima
orientasi. Karena garis spektral hanya terbagi menjadi dua bagian, maka orientasinya hanya dua:
, dari sini
. Proyeksi putaran ke arah yang dipilih ditentukan oleh ekspresi:

Di mana - bilangan kuantum magnetik. Itu hanya dapat memiliki dua arti
.

Dengan demikian, data eksperimen menyebabkan perlunya memperkenalkan putaran. Oleh karena itu, untuk menggambarkan secara lengkap keadaan elektron dalam suatu atom, perlu ditentukan, bersama dengan bilangan kuantum utama, orbital, dan magnet, bilangan kuantum spin magnet.

Prinsip Pauli. Distribusi elektron dalam suatu atom menurut keadaannya.

Keadaan setiap elektron dalam suatu atom dicirikan oleh empat bilangan kuantum:

(
1, 2, 3,...) – mengkuantisasi energi ,

(
0, 1, 2,…,
) – mengkuantisasi momen mekanik orbital ,

(
0,
,
,…,
) – mengkuantisasi proyeksi momentum sudut ke arah tertentu ,

(
) – mengkuantisasi proyeksi putaran ke arah tertentu
.

Dengan meningkatnya energi tumbuh. Dalam keadaan normal suatu atom, elektron berada pada tingkat energi terendah. Tampaknya mereka semua harus mampu mencapai angka 1. Namun pengalaman menunjukkan bahwa hal ini tidak benar.

Fisikawan Swiss W. Pauli merumuskan prinsip: dalam atom yang sama tidak boleh ada dua elektron dengan bilangan kuantum yang sama ,,
,. Artinya, dua elektron harus berbeda setidaknya dalam satu bilangan kuantum.

Arti sesuai negara dengan nilai yang berbeda Dan
. Tetapi juga mempunyai dua arti
Dan
, itu berarti segalanya
negara bagian. Oleh karena itu, di negara bagian dengan kondisi tertentu Mungkin
elektron. Kumpulan elektron dengan jumlah yang sama disebut lapisan, dan dengan yang sama Dan - kerang.

Sejak bilangan kuantum orbital mengambil nilai dari sebelum
, jumlah cangkang dalam satu lapisan adalah sama dengan . Jumlah elektron dalam suatu kulit ditentukan oleh bilangan kuantum magnetik dan spin: jumlah maksimum elektron dalam suatu kulit dengan bilangan kuantum tertentu. sama
. Penunjukan lapisan dan distribusi elektron melintasi lapisan dan kulit disajikan pada Tabel 1.

Dengan menggunakan distribusi elektron antar negara bagian, hukum periodik Mendeleev dapat dijelaskan. Setiap atom berikutnya memiliki satu elektron lagi, ia berada dalam keadaan dengan energi serendah mungkin.

Tabel periodik unsur dimulai dengan atom hidrogen yang paling sederhana. Elektron tunggalnya berada dalam keadaan 1s, yang dicirikan oleh bilangan kuantum
,
Dan
(orientasi putaran berubah-ubah).

Dalam sebuah atom
dua elektron berada dalam keadaan 1s dengan spin antiparalel. Pada sebuah atom
Pengisian lapisan K berakhir, yang bertepatan dengan selesainya periode pertama Sistem Periodik Mendeleev.

Di atom
3 elektron. Menurut prinsip Pauli, elektron ketiga tidak dapat lagi masuk ke dalam lapisan K yang terisi penuh dan menempati keadaan energi terendah
(L-layer), yaitu keadaan 2s. Konfigurasi elektron suatu atom
: 12. Atom
Periode ke-2 tabel periodik Mendeleev dimulai. Periode 2 diakhiri dengan neon gas inert. Atom neon memiliki kulit 2p yang terisi penuh dan lapisan L yang terisi penuh.

elektron kesebelas
ditempatkan di Mlayer (
), menempati kondisi paling sedikit 3 detik. Konfigurasi elektronik untuk
: 1223. Elektron 3s (seperti elektron 2s pada litium) adalah elektron valensi, oleh karena itu sifat-sifatnya
mirip dengan properti
.
berakhir periode ke-3. Konfigurasi elektroniknya
: 12233. Mulai dari atom kalium, terjadi penyimpangan pada susunan kulit elektron. Daripada mengisi cangkang 3d, cangkang 4s diisi terlebih dahulu (
: 122334). Hal ini terjadi karena cangkang 4s lebih disukai secara energi dan letaknya lebih dekat ke inti dibandingkan cangkang 3d. Setelah mengisi 4s, 3d terisi, dan kemudian cangkang 4p, yang lebih jauh dari inti daripada 3d.

Penyimpangan seperti ini terus kita jumpai. Kulit 4f, yang berisi 14 elektron, mulai terisi setelah 5s, 5p, 6s terisi. Akibatnya, pada unsur 58-71, elektron yang ditambahkan berada pada keadaan 4f, dan kulit elektron terluar unsur-unsur ini adalah sama. Oleh karena itu, sifat-sifatnya serupa. Unsur-unsur ini disebut lantanida. Aktinida (90-103) juga memiliki sifat serupa, dimana cangkang 5f terisi pada konstanta 7 .

Jadi, periodisitas yang ditemukan Mendeleev dalam sifat kimia unsur dijelaskan oleh keterulangan struktur kulit terluar atom unsur terkait.

Valensi unsur kimia sama dengan jumlah elektron pada kulit s atau p dengan n maksimum. Jika s,p,d,… cangkang terisi penuh, maka putarannya diberi kompensasi. Unsur-unsur tersebut bersifat diamagnetik. Jika cangkang tidak terisi penuh, maka terjadi putaran yang tidak terkompensasi. Ini bersifat paramagnetik.

1/2, untuk foton 1, untuk p- dan K-meson 0.

Putaran disebut juga milik sendiri momen kuantitas gerakan, kata mereka. sistem; dalam hal ini, putaran sistem didefinisikan sebagai jumlah vektor putaran partikel individu: S s = S. Jadi, putaran inti sama dengan bilangan bulat atau setengah bilangan bulat (biasanya dilambangkan dengan I) tergantung pada apakah inti atom mempunyai bilangan genap atau ganjil dan . Misal untuk 1 H I = 1/2, untuk 10 V I = 3, untuk 11 V I = 3/2, untuk 17 O I = 5/2, untuk 16 O I = 0. Untuk Tidak dalam keadaan dasarYang pertama, spin elektron totalnya adalah S = 0, yang pertama S = 1. Di zaman modern. teoretis fisika, bab. arr. secara teori, spin sering disebut momentum sudut total suatu partikel, sama dengan jumlah orbital dan dirinya sendiri. momen.

Konsep putaran diperkenalkan pada tahun 1925 oleh J. Uhlenbeck dan S. Goudsmit, yang menggunakannya untuk menafsirkan eksperimen. data tentang pemisahan berkas di medan magnet. bidang tersebut disarankan agar dapat dianggap sebagai puncak yang berputar pada porosnya dengan proyeksi ke arah medan sama dengan. Pada tahun yang sama, W. Pauli memperkenalkan konsep putaran ke dalam matematika. aparaturnya bersifat non-relativistik dan merumuskan asas larangan yang menyatakan dua identitas. partikel dengan putaran setengah bilangan bulat tidak dapat berada dalam sistem yang sama secara bersamaan (lihat). Menurut pendekatan W. Pauli, ada s 2 dan s z yang mempunyai masing-masing. nilai ђ 2 s(s + 1) dan ђs z masing-masing. dan bertindak nat. ditelepon bagian spin dari fungsi gelombang a dan b (fungsi spin) sama seperti momentum sudut orbital dari besaran gerak I 2 dan I z bekerja pada ruang. bagian dari fungsi gelombang Y (r), dimana r adalah vektor jari-jari partikel. s 2 dan s z tunduk pada aturan pergantian yang sama seperti I 2 dan I z.

Putaran. Breit-Pauli N VR mencakup dua suku yang bergantung linier pada komponen potensial vektor A, yang menentukan eksternal mag. bidang:

Untuk lapangan seragam A = 1/2 DI DALAM X R, tanda x berarti perkalian silang, dan

Di mana -magneton. Besaran vektorditelepon mag. momen suatu partikel bermuatan e dan bermassa m (dalam hal ini elektron), sedangkan besaran vektormenerima nama itu magnet putar momen. Rasio odds sebelumnya S Dan aku ditelepon faktor g ohm partikel. Untuk 1 H (spin I = 1/2) faktor gnya sama dengan 5,5854, untuk inti 13 C dengan spin yang sama I = 1/2 faktor gnya sama dengan 1,4042; mungkin dan negatif. faktor g, contoh: untuk inti 29 Si, faktor gnya adalah - 1,1094 (spinnya 1/2). Nilai faktor g yang ditentukan secara eksperimental adalah 2,002319.

Baik untuk satu maupun untuk suatu sistem atau partikel lain, putaran S berorientasi relatif terhadap arah medan seragam. Proyeksi putaran S z ke arah medan mengambil nilai 2S + 1 : - S, - S + 1, ... , S. Banyaknya dekomposisi. proyeksi putaran disebut sistem dengan putaran S.

Mag. bidang yang bekerja pada atau inti di , m.b. tidak hanya eksternal, tetapi juga dapat diciptakan, dll., atau muncul selama rotasi suatu sistem partikel bermuatan secara keseluruhan. Ya, interaksi. mag. bidang yang dibuat oleh i dengan kernel v mengarah ke kemunculan istilah dalam bentuk Hamiltonian:

dimana n v adalah satuan muatan dan massa inti dalam arah vektor jari-jari inti Rv, Z v dan M v. Anggota bentuk I v ·Saya saya jawab, anggota bentuk I v ·s saya - . Untuk atom dan mol. sistem, bersama dengan yang ditunjukkan, muncul suku-suku yang sebanding dengan (si · s j), (I v · I m), dll. Istilah-istilah ini menentukan pemisahan energi yang merosot. tingkat, dan juga menyebabkan perbedaan. pergeseran level, yang menentukan struktur halus dan struktur hiperhalus (lihat,).

Manifestasi eksperimental putaran. Kehadiran putaran bukan nol pada subsistem elektronik mengarah pada fakta bahwa dalam medan magnet homogen. di lapangan, terjadi pemisahan tingkat energi, dan besarnya pemisahan ini dipengaruhi oleh bahan kimia. (cm.). Kehadiran putaran bukan nol juga menyebabkan pemisahan level, dan pemisahan ini bergantung pada penyaringan eksternal. bidang oleh lingkungan yang paling dekat dengan inti tertentu (lihat). Interaksi spin-orbit mengarah pada pemisahan yang kuat dari tingkat keadaan elektronik, mencapai nilai-nilai urutan beberapa. sepersepuluh eV dan bahkan beberapa. satuan eV. Ini memanifestasikan dirinya sangat kuat dalam unsur-unsur berat, ketika menjadi tidak mungkin untuk membicarakan putaran ini atau itu atau, dan kita hanya dapat berbicara tentang momentum sudut total sistem. Lebih lemah, namun terlihat jelas ketika mempelajari spektrum, adalah putaran-rotasi dan .

Untuk kondensor lingkungan, keberadaan putaran partikel dimanifestasikan dalam sifat magnetis. suci dari lingkungan ini. Pada suhu tertentu, keadaan putaran partikel yang teratur ( , ) dapat terjadi, misalnya, pada simpul kristal. kisi, dan karena itu terkait dengan putaran magnet. momen, yang menyebabkan munculnya paramagnetisme yang kuat (feromagnetisme, antiferromagnetisme) dalam sistem. Pelanggaran urutan putaran partikel memanifestasikan dirinya dalam bentuk gelombang putaran (lihat). Interaksi majalah sendiri. momen dengan getaran elastis medium disebut. interaksi spin-fonon (cm.); ini menentukan penyerapan suara spin-lattice dan spin-phonon.

Putaran adalah yang paling banyak hal yang sederhana yang dapat menunjukkan perbedaan antara mekanika kuantum dan mekanika klasik. Dari definisi tersebut nampaknya berhubungan dengan rotasi, tetapi elektron atau proton tidak boleh dibayangkan sebagai bola yang berputar. Seperti banyak istilah ilmiah lain yang sudah mapan, telah terbukti bahwa hal ini tidak benar, namun terminologinya sudah ada. Elektron adalah partikel titik (jari-jari nol). Dan putaran bertanggung jawab atas sifat magnetis. Jika partikel bermuatan listrik bergerak sepanjang lintasan melengkung (termasuk rotasi), maka akan terbentuk medan magnet. Elektromagnet bekerja seperti ini - elektron bergerak di sepanjang kabel kumparan. Namun putarannya berbeda dengan magnet klasik. Ini animasi yang bagus:

Jika magnet dilewatkan melalui medan magnet yang tidak seragam (catatan bentuk yang berbeda kutub utara dan selatan magnet yang mengatur medan), kemudian tergantung pada orientasi magnet (vektor momen magnetnya), mereka akan tertarik (ditolak) dari kutub yang konsentrasi garis-garis medan magnetnya lebih besar (kutub runcing). dari magnetnya). Dalam kasus orientasi tegak lurus, magnet tidak akan menyimpang sama sekali dan akan mendarat di tengah layar.

Dengan melewatkan elektron kita hanya akan mengamati penyimpangan ke atas atau ke bawah pada jarak yang sama. Ini adalah contoh kuantisasi (discreteness). Putaran elektron hanya dapat mengambil satu dari dua nilai relatif terhadap sumbu orientasi magnet tertentu – “atas” atau “bawah”. Karena elektron tidak dapat dibayangkan secara mental (tidak memiliki warna, bentuk, atau bahkan lintasan pergerakan), seperti dalam semua animasi serupa, bola berwarna tidak mencerminkan kenyataan, tetapi menurut saya esensinya jelas.

Jika elektron menyimpang ke atas, maka putarannya dikatakan diarahkan “ke atas” (+1/2 secara konvensional dilambangkan) relatif terhadap sumbu magnet. Jika turun, maka -1/2. Dan tampaknya putaran dapat digambarkan dengan vektor biasa yang menunjukkan arah. Bagi elektron-elektron yang diarahkan ke atas, elektron-elektron tersebut akan dibelokkan ke atas dalam medan magnet, dan bagi elektron-elektron yang diarahkan ke bawah, masing-masing akan dibelokkan ke bawah. Tapi tidak semuanya sesederhana itu! Elektron dibelokkan ke atas (bawah) dengan jarak yang sama relatif terhadap orientasi magnet apa pun. Dalam video di atas, dimungkinkan untuk mengubah bukan orientasi magnet yang dilewati, namun memutar magnet itu sendiri, yang menciptakan medan magnet. Efeknya pada magnet biasa akan sama. Apa yang akan terjadi pada elektron - tidak seperti magnet, elektron akan selalu menyimpang dengan jarak yang sama ke atas atau ke bawah.

Jika, misalnya, Anda melewatkan magnet klasik yang terletak secara vertikal melalui dua magnet yang berorientasi tegak lurus satu sama lain, kemudian membelok ke atas pada magnet pertama, magnet tersebut tidak akan menyimpang sama sekali pada magnet kedua - vektor momen magnetnya akan tegak lurus terhadap medan magnet. garis. Pada video di atas, hal ini terjadi ketika magnet menyentuh bagian tengah layar. Elektron harus menyimpang ke suatu tempat.

Jika kita melewati magnet kedua hanya elektron dengan spin ke atas, seperti pada gambar, maka ternyata beberapa di antaranya juga memiliki spin ke atas (bawah) relatif terhadap sumbu tegak lurus lainnya. Sebenarnya kanan dan kiri, tetapi putaran diukur relatif terhadap sumbu yang dipilih, jadi "atas" dan "bawah" adalah terminologi umum bersama dengan indikasi sumbu. Vektor tidak dapat diarahkan langsung ke atas dan ke kanan. Kami menyimpulkan bahwa putaran bukanlah vektor klasik yang terikat pada elektron seperti vektor momen magnet magnet. Selain itu, mengetahui bahwa putaran elektron diarahkan ke atas setelah melewati magnet pertama (kita memblokir magnet yang menyimpang ke bawah), tidak mungkin untuk memprediksi di mana ia akan menyimpang dalam kasus kedua: ke kanan atau ke kiri.

Nah, Anda dapat memperumit percobaan ini sedikit lebih banyak - memblokir elektron yang menyimpang ke kiri dan melewatkannya melalui magnet ketiga, yang berorientasi seperti yang pertama.

Dan kita akan melihat bahwa elektron akan dibelokkan ke atas dan ke bawah. Artinya, elektron-elektron yang memasuki magnet kedua semuanya berputar ke atas relatif terhadap orientasi magnet pertama, dan kemudian beberapa di antaranya tiba-tiba menjadi berputar ke bawah relatif terhadap sumbu yang sama.

Aneh! Jika Anda melewatkan magnet klasik melalui desain seperti itu, diputar pada sudut yang dipilih secara acak, maka magnet tersebut akan selalu berakhir pada titik yang sama di layar. Ini disebut determinisme. Mengulangi percobaan dengan kepatuhan penuh terhadap kondisi awal, kita akan memperoleh hasil yang sama. Inilah yang menjadi dasar kekuatan prediksi ilmu pengetahuan. Bahkan intuisi kita didasarkan pada pengulangan hasil dalam situasi serupa. Dalam mekanika kuantum, umumnya tidak mungkin untuk memprediksi di mana elektron tertentu akan menyimpang. Meskipun dalam beberapa situasi ada pengecualian: jika Anda menempatkan dua magnet dengan orientasi yang sama, maka jika elektron membelok ke atas pada magnet pertama, maka elektron tersebut pasti akan membelok ke atas pada magnet kedua. Dan jika magnet diputar 180 derajat relatif satu sama lain dan yang pertama elektron menyimpang, misalnya ke bawah, maka yang kedua pasti akan menyimpang ke atas. Dan sebaliknya. Putarannya sendiri tidak berubah. Ini sudah bagus)

Kesimpulan umum apa yang dapat diambil dari semua ini?

1. Banyak besaran yang dapat mempunyai nilai berapa pun dalam mekanika klasik hanya dapat memiliki beberapa nilai diskrit (terkuantisasi) dalam teori kuantum. Selain spin, energi elektron dalam atom adalah contoh utama.
2. Objek dunia mikro tidak dapat ditetapkan apa pun karakteristik klasik sampai saat pengukuran. Kita tidak dapat berasumsi bahwa putaran mempunyai arah tertentu sebelum kita melihat di mana elektron menyimpang. Ini posisi umum dan ini menyangkut semua besaran terukur: koordinat, kecepatan, dll. Mekanika kuantum . Dia mengklaim bahwa dunia klasik objektif, yang tidak bergantung pada siapa pun, tidak ada. menunjukkan fakta ini dengan sangat jelas. (pengamat) dalam mekanika kuantum sangatlah penting.
3. Proses pengukuran menimpa (membuat tidak relevan) informasi tentang pengukuran sebelumnya. Jika putaran diarahkan ke atas relatif terhadap sumbu kamu, maka tidak masalah bahwa sebelumnya diarahkan ke atas relatif terhadap sumbu X, hasilnya mungkin berputar ke bawah relatif terhadap sumbu yang sama X kemudian. Sekali lagi, keadaan ini tidak hanya berlaku pada bagian belakang. Misalnya, jika sebuah elektron terdeteksi pada suatu titik dengan koordinat ( X, kamu, z) ini secara umum tidak berarti bahwa dia pernah berada pada titik ini sebelumnya. Fakta ini dikenal sebagai “runtuhnya fungsi gelombang”.
4. Ada seperti itu besaran fisis yang nilainya tidak dapat diketahui secara bersamaan. Misalnya, Anda tidak dapat mengukur putaran relatif terhadap sumbu X dan pada saat yang sama relatif terhadap sumbu yang tegak lurus terhadapnya kamu. Jika kita mencoba melakukan keduanya secara bersamaan, maka Medan magnet dua magnet yang diputar akan tumpang tindih dan alih-alih dua sumbu yang berbeda kita akan mendapatkan satu sumbu baru dan mengukur putaran relatif terhadap sumbu tersebut. Pengukuran secara konsisten juga tidak akan mungkin dilakukan karena kesimpulan sebelumnya No.3. Ini terlalu prinsip umum. Misalnya, posisi dan momentum (kecepatan) juga tidak dapat diukur secara bersamaan dengan akurasi tinggi - prinsip ketidakpastian Heisenberg yang terkenal.
5. Pada prinsipnya mustahil untuk memprediksi hasil pengukuran tunggal. Mekanika kuantum hanya memungkinkan kita menghitung probabilitas suatu peristiwa tertentu. Misalnya, Anda dapat menghitung bahwa dalam percobaan pada gambar pertama, ketika magnet diorientasikan 90° satu sama lain, 50% akan menyimpang ke kiri dan 50% ke kanan. Tidak mungkin untuk memprediksi di mana elektron tertentu akan menyimpang. Keadaan umum ini dikenal sebagai “Aturan Lahir” dan merupakan hal yang penting.
6. Hukum klasik deterministik diturunkan dari hukum mekanika kuantum probabilistik karena terdapat banyak partikel dalam suatu objek makroskopik dan fluktuasi probabilistik dirata-ratakan. Misalnya, jika pada percobaan pada gambar pertama magnet klasik yang berorientasi vertikal dilewatkan, maka 50% partikel penyusunnya akan “menarik” ke kanan, dan 50% ke kiri. Alhasil, dia tidak akan melenceng kemana-mana. Untuk orientasi sudut magnet lainnya, persentase, yang pada akhirnya mempengaruhi jarak yang dibelokkan. Mekanika kuantum memungkinkan Anda menghitung probabilitas tertentu dan, sebagai konsekuensinya, Anda dapat memperoleh rumus jarak yang dibelokkan tergantung pada sudut orientasi magnet, biasanya diperoleh dari elektrodinamika klasik. Ini adalah bagaimana fisika klasik diturunkan dan merupakan konsekuensi dari fisika kuantum.

Ya, tindakan yang dijelaskan dengan magnet disebut eksperimen Stern-Gerlach.

Ada versi video dari posting ini dan pengenalan dasar mekanika kuantum.