• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

spin

Oprindelig forfatter HSmi Seneste forfatter Redaktionen

spin, (eng. 'spind, rotation'), inden for fysikken en indre frihedsgrad for elementarpartikler. Som navnet antyder, er spin en egenskab, der er beslægtet med et legemes impulsmoment. I den klassiske fysik er impulsmomentet af et stift legeme, der roterer om en akse med en bestemt vinkelfrekvens, lig med produktet af legemets inertimoment og vinkelfrekvensen.

For at kunne forklare de iagttagne atomare spektre foreslog S.A. Goudsmit (1902-78) og G.E. Uhlenbeck i 1925, at elektronen har et indre impulsmoment, hvis størrelse er ℏ/2, og et tilsvarende magnetisk moment givet ved eℏ/2m, hvor e er elektronens ladning, m dens masse, og ℏ Plancks konstant divideret med 2π. Det til spinnet hørende kvantetal kan antage to værdier svarende til, at spinnet peger "op" eller "ned". Nødvendigheden af at indføre et sådant kvantetal med to værdier blev allerede tidligere i 1925 påpeget af W. Pauli, der benyttede spinnet til at gøre rede for opbygningen af grundstoffernes periodiske system.

Med Diracs elektronteori fra 1928 blev forståelsen af spinnet dybtgående ændret. Dirac viste, at forekomsten af elektronens spin og det dertil knyttede magnetiske moment var en naturlig konsekvens af Einsteins relativitetsprincip. Dirac opstillede en bølgeligning, der var forenelig med den specielle relativitetsteoris krav til sammenhængen mellem en partikels energi og impuls. Elektronens spin var dermed ikke længere et løsrevet postulat, som de eksperimentelle resultater havde nødvendiggjort, men en direkte følge af relativitetsteoriens krav om de fysiske lovmæssigheders invarians ved overgang mellem forskellige inertialsystemer. Med Diracs teori blev spinnet mindre anskueligt uden nogen egentlig analogi i den klassiske fysik. En elektron kan ikke tillægges nogen rumlig udstrækning — den opfattes i teorien som et matematisk punkt — og elektronens spin kan ikke fortolkes som en drejning af en massefordeling omkring en indre akse.

Annonce

Også andre elementarpartikler har spin, dog ikke nødvendigvis halvtallige i enheder af ℏ som elektronens. Man kalder partikler med halvtalligt spin (fx elektron, proton og neutron) for fermioner, mens partikler med heltalligt spin kaldes bosoner.

Den kvantemekaniske bølgefunktion for identiske fermioner har den særlige egenskab, at den skifter fortegn under ombytning af to fermioner. For identiske bosoner gælder det, at bølgefunktionen er uændret under en sådan ombytning. Denne sammenhæng mellem spin og ombytningssymmetri er teoretisk begrundet igennem kvantefeltteoriens såkaldte spin-statistik-teorem og er bekræftet af alle hidtidige erfaringer. For identiske fermioner kan ombytningssymmetrien også udtrykkes ved Pauliprincippet, ifølge hvilket en given enpartikeltilstand højst kan indeholde én fermion.

Sammensatte partikler har også spin. Således har 4He-atomkernen spin nul og er altså en boson, mens 3He-atomkernen har halvtalligt spin og er en fermion.

Atomernes spektre afspejler, at elektronernes spin og baneimpulsmoment er indbyrdes koblet. Fx kan den karakteristiske gule linje i natriumatomets spektrum opløses i to nært beliggende linjer. Forskellen i bølgelængde, der i det nævnte eksempel er 0,6 nm, skyldes spin-bane-koblingen. Man betegner sådanne effekter som finstruktur, idet de giver anledning til energiforskydninger, der er langt mindre end de energiforskelle, der skyldes elektrostatiske kræfter mellem elektronerne og atomets kerne.

Også i faste stoffer spiller elektronernes og atomernes spin en vigtig rolle. Forekomsten af superledning i mange grundstoffer og legeringer skyldes, at elektroner med modsatrettet spin danner par. Paramagnetisme forklares ved, at et atoms samlede impulsmoment, der omfatter bidrag fra både spin og banebevægelse, giver anledning til et magnetisk moment, der påvirkes af et ydre magnetfelt.

I ordnede magnetiske systemer er de enkelte atomers spin indbyrdes koblet; således peger spinnene og de tilhørende magnetiske momenter i samme retning i et ferromagnetisk materiale ved lave temperaturer. Materialet udviser derved en magnetisering, selvom det ydre felt er nul. Ved lidt højere temperaturer aftager magnetiseringen; det skyldes forekomsten af spinbølger, der er bølgeformede afvigelser af de atomare spins retninger fra den oprindelige retning. Spinbølger i ordnede magnetiske systemer minder på mange måder om gittersvingninger i faste krystallinske stoffer (se gitterdynamik). Mens energikvantet hørende til gittersvingninger betegnes som en fonon, kaldes det til spinbølger hørende energikvantum for en magnon. Magnoner er bosoner ligesom fononer og fotoner. Levetiden for en magnon er bestemt af dens energi og af temperaturen; ved høje temperaturer nær overgangen til den magnetisk uordnede tilstandsform bliver levetiden for en magnon så kort, at begrebet mister sin anvendelighed.

Magnetisk ordnede strukturer omfatter også spintæthedsbølger, der spiller en vigtig rolle i visse endimensionale, elektrisk ledende materialer. Blandt andre mulige ordnede strukturer i faste stoffer kan nævnes spinglasser, hvori de enkelte atomare spin er rumligt "frosset fast" i tilfældige retninger.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Henrik Smith: spin i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 16. januar 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=163263