Eine schwer fassbare Größe der Quantenteilchen ist ihr Spin. Die Bezeichnung ist englisch und bedeutet soviel wie kreiseln oder sich schnell drehen. Man kann sich also das Elementarteilchen wie einen Kreisel vorstellen, der sich um sich selbst dreht. Dieses Bild sollte man aber nicht zu wörtlich nehmen, denn der Spin verhält sich quantenmechanisch etwas anders, als ein gewöhnlicher Drehimpuls.
Im Gegensatz zum Drehimpuls sind mögliche Spins nicht auf ganze Quantenzahlen beschränkt. Der Spin eines Teilchens kann nicht nur null, ein, zwei usw. Drehimpulsquanten, sondern außerdem 1/2, 3/2 usf. Drehimpulsquanten haben. In der Praxis haben fast alle Teilchen aus denen Materie besteht einen Spin von 1/2. Das gilt für die elementaren Teilchen Quarks und Leptonen aber auch für die aus Quarks aufgebauten Protonen und Neutronen. Die Lichtquanten (Photonen) haben einen ganzzahligen Spin mit dem Wert 1.
Der Spin der Quantenobjekte ist so wichtig, dass man Teilchen nach ihrem Spin in Fermionen, die einen halbzahligen Spin haben, und Bosonen mit einem ganzzahligen Spin einteilt.
Auch die Richtungen in die der Spin zeigen kann sind quantisiert, also auf bestimmte Werte beschränkt. Für Teilchen mit Spin 1/2 gibt es nur zwei mögliche Ausrichtungen, das Teilchen kann sich rechts oder links herum drehen. Die beiden Drehrichtungen werden in der Praxis einfach mit Vorzeichen versehen. Man spricht also von positivem oder negativem Spin. Die beiden Elektronen, die sich ein Orbital teilen unterscheiden sich immer in ihrer Spinrichtung. Ein vollbesetztes Orbital hat also ein Elektron mit positivem und eines mit negativem Spin.
Mit der Rotation eines geladenen Teilchens ist immer auch ein Magnetfeld verbunden. Die Elektronen haben also durch ihren Spin ein Magnetfeld, das entweder nach oben oder nach unten zeigt. Das führt dazu, dass Elektronen in bestimmten Magnetfeldern je nach Spinausrichtung in verschiedene Richtungen abgelenkt werden. 1920 haben die Experimentalphysiker Otto Stern und Walter Gerlach den Elektronenspin entdeckt, indem sie diese Ablenkung an Silberatomen nachweisen konnten. Dass es eine Quantisierung der Magnetfeldrichtung gibt, war damals eine große Überraschung.
Silber ist übrigens für diesen Versuch geeignet, weil bei ihm alle Orbitale mit Ausnahme des äußersten 5s-Orbitals voll besetzt sind. Im 5s-Orbital hat Silber genau ein Elektron, dessen Spin-Magnetfeld den entscheidenden Beitrag zum Gesamtmagnetfeld des Atoms leistet. Damit kann man mit einem Strahl von Silberatomen den Elektronenspin messen.
Da auch Quarks einen Spin vom Wert 1/2 haben und die Kernbausteine aus diesen Bestehen, haben viele Atomkerne einen Spin. Dieser Kernspin ist ebenfalls mit einem Magnetfeld verbunden das aber viel schwächer ist als das der Elektronen. In der Medizin wird der Kernspin von Wasserstoff ausgenutzt, um dreidimensionale Bilder vom Gewebe zu machen. Dieses Verfahren heißt Kernspintomographie.
Durch welche Art von Experimenten lässt sich der Spin eines Elementarteilchens messen?
Was bedeutet ein Spin von 1, also welche Einheit liegt dem zugrunde?
©1999-2022 Joachim Schulz - Nur echt auf www.Quantenwelt.de
Letzte Änderung: 21.04.2006