Кіріспе
Кванттық сан бұрыштық момент пен спинді параметрлейді. Физика және химияда спиндік кванттық сан – электронның немесе басқа бөлшектің ішкі бұрыштық моментін (немесе спиндік бұрыштық моментін, немесе жай ғана спинін) сипаттайтын кванттық сан (s деп белгіленеді). Бұл сан бірдей типтегі барлық бөлшектер үшін бірдей болады, мысалы, барлық электрондар үшін s = 1/2. Бозондардың барлығы үшін ол бүтін сан, мысалы, фотондар үшін, ал фермиондардың барлығы үшін – жартылай бүтін сан, мысалы, электрондар мен протондар үшін. Спиннің белгіленген ось бойыменгі компоненті спин магниттік кванттық санымен беріледі, ол әдетте ms деп жазылады. ms мәні – берілген бағытқа параллель (әдетте z ось деп аталады) спин бұрыштық моментінің азайтылған Планк тұрақтысы ħ бірліктерімен өлшенген компоненті. Ол +s-тен -s-ке дейін бүтін санмен өзгере алады. Электрон үшін ms мәні +1/2 немесе -1/2 болады.
In physics and chemistry, the spin quantum number is a quantum number (designated s) that describes the intrinsic angular momentum (or spin angular momentum, or simply spin) of an electron or other particle. It has the same value for all particles of the same type, such as s = for all electrons. It is an integer for all bosons, such as photons, and a half odd integer for all fermions, such as electrons and protons. The component of the spin along a specified axis is given by the spin magnetic quantum number, conventionally written ms. The value of ms is the component of spin angular momentum, in units of the reduced Planck constant ħ, parallel to a given direction (conventionally labelled the z–axis). It can take values ranging from +s to −s in integer increments. For an electron, ms can be either or .
Номенклатура
Спин кванттық саны деген сөз тіркесі квантталған спин бұрыштық импульсын білдіреді. Спин кванттық саны үшін s символы қолданылады және спин магниттік кванттық саны немесе спиннің z компоненті ретінде сипатталады. Спиннің жалпы мәні мен z компоненті де квантталатынын, осыған байланысты екі кванттық сан – спин және спин магниттік кванттық сан пайда болады. Әрбір элементар бөлшектің спин кванттық саны тек бір мәнге ие. Кейбір кіріспе химия оқулықтарында спин кванттық саны ретінде сипатталса, s символы аталмайды, себебі оның мәні электронның өзгермейтін қасиеті; ал кейбіреулері тіпті s айнымалысын спинның орнына қолданады. Спин кванттық сандары біріктірілген спиндер жүйелеріне де қатысты, мысалы, бір электроннан асып түсетін атомдарға. Жалпы электрондық спин үшін S, ал z ось компоненті үшін mS немесе MS капитал әріптері қолданылады. Спин синглеттік күйдегі екі электронның S = 0, ал триплеттік күйдегі екі электронның S = 1, mS = −1, 0 немесе +1 тең болады. Ядролық спин кванттық сандары спин үшін I, ал z ось компоненті үшін mI немесе MI деп жазылады. "Спин" атауы Уленбек пен Годсмит ұсынған электронның белгілі бір ось маңында айналуынан шыққан. Алайда, бұл қарапайым түсінік физикалық жағынан дұрыс емес екені тез анықталды, өйткені электронның жарық жылдамдығынан артық жылдамдықпен айналуын қажет етеді. Сондықтан ол абстрактілірек кванттық механикалық сипаттамамен алмастырылды.
Both the total spin and the z component of spin are quantized, leading to two quantum numbers spin and spin magnet quantum numbers. The (total) spin quantum number as only one value for every elementary particle. Some introductory chemistry textbooks describe as the spin quantum number, and s is not mentioned since its value is a fixed property of the electron; some even use the variable s in place of
Spin quantum numbers apply also to systems of coupled spins, such as atoms that may contain more than one electron. Capitalized symbols are used: S for the total electronic spin, and mS or MS for the z axis component. A pair of electrons in a spin singlet state has S = 0, and a pair in the triplet state has S = 1, with mS = −1, 0, or +1. Nuclear spin quantum numbers are conventionally written I for spin, and mI or MI for the z axis component. The name "spin" comes from a geometrical spinning of the electron about an axis, as proposed by Uhlenbeck and Goudsmit. However, this simplistic picture was quickly realized to be physically unrealistic, because it would require the electrons to rotate faster than the speed of light. It was therefore replaced by a more abstract quantum mechanical description.
Тарих
1916-1925 жылдар аралығында электронды элементтердің периодтық кестеде орналасуына қатысты маңызды прогресс жасалды. Бор атомындағы Земан эффектісін түсіндіру үшін Сомерфельд электрондардың орбитасының мөлшерін, пішінін және бағытын сипаттайтын n, k және m деген үш "кванттық санға" негізделетінін ұсынды. Ирвинг Лангмуир 1919 жылғы мақаласында электрондардың қабықшалары туралы былай деп түсіндірді: "Ридберг бұл сандардың сериядан алынатынын көрсетті. Екілік коэффициент барлық тұрақты атомдар үшін негізгі екі еселі симметрияны көрсетеді". Бұл конфигурацияны Эдмунд Стонер 1924 жылғы қазанда "Философиялық журналда" жарияланған "Атомдық деңгейлер арасындағы электрондардың таралуы" атты жұмысында қабылдады. Сомерфельд кванттық сан схемасының сапалық сәттілігі әлсіз магнит өрісіндегі Земан эффектісін, аномальды Земан эффектісін түсіндіре алмады. 1924 жылдың желтоқсанында Вольфганг Паули ядролық электронның бұрыштық импульсінің бұрынғыдай болжанғандай эффектімен байланысты емес екенін көрсетті. Оның орнына, ол сыртқы "жеңіл" электрондар ғана бұрыштық импульсті анықтайтынын ұсынды және мұның үшін екі мәнді төртінші кванттық сан қажет деп болжады. Осы төртінші кванттық сан спиндік магниттік кванттық санға айналды.
Wolfgang Pauli showed that the core electron angular momentum was not related to the effect as had previously been assumed. Rather he proposed that only the outer "light" electrons determined the angular momentum and he
hypothesized that this required a fourth quantum number with a two valuedness. This fourth quantum number became the spin magnetic quantum number.
Ядролық спин
Атом ядросының да спині бар. Ядролық спин I – әр ядроның тұрақты қасиеті және ол бүтін сан немесе жартылай бүтін сан болуы мүмкін. z осіне параллель ядролық спиннің mI компоненті (2I + 1) мәнге ие болуы мүмкін: I, I–1, …, –I. Мысалы, N ядросының I = 1 спині бар, сондықтан z осіне қатысты 3 мүмкін бағдар бар, бұл mI = +1, 0 және −1 күйлеріне сәйкес келеді. Әртүрлі ядролардың I спиндері ядролық қабық моделі арқылы түсіндіріледі. Протон және нейтронның жұп саны бар, тіпті-тіпті ядролар, мысалы, C және O, нөлдік спинге ие. Жұп емес массалық санға ие ядролар жартылай бүтін спинге ие, мысалы, Li, C және O үшін, бұл әдетте соңғы қосылған нуклонның бұрыштық импульсіне сәйкес келеді. Протон және нейтронның жұп емес саны бар, тақ-тақ ядролар бүтін спинге ие, мысалы, B үшін 3 және N үшін 1. Белгілі бір изотоптың ядролық спинінің мәндері әр элементтің изотоптарының тізімдерінде табылады. (Мысалы, оттегінің изотоптары, алюминийдің изотоптары және т.б.)
Спинді анықтау
Сутек спектрінің сызықтары өте жоғары ажыратымдылықпен қарастырылғанда, олар тығыз орналасқан қос түліктер екені анықталады. Бұл айырмашылыққа «нақты құрылым» деп аталады және электронның спинін көрсететін алғашқы тәжірибелік дәлелдердің бірі болды. Электронның ішкі бұрыштық импульсін тікелей бақылау Стерн-Герлах тәжірибесінде жүзеге асырылды.
Стерн-Герлах эксперименті
Магниттік өрісте орналасқан атомдардың электрондарының импульсінің спиндік моментіне қатысты кеңістіктік квантталу теориясы эксперименттік жолмен дәлелденуі керек болды. 1922 жылы (спиннің теориялық сипаттамасы жасалмас бұрын екі жыл) Отто Штерн мен Уолтер Герлах оны өздері жүргізген тәжірибеде байқады. Күміс атомдары электр пешін вакуумда пайдаланып буланды. Жұқа саңылауларды қолданып, атомдар жазық сәулеге бағытталды және сәуле металл пластинаға соқтығысу алдында біртекті емес магнит өрісі арқылы жіберілді. Классикалық физика заңдары күміс атомдарының жиынтығынан түпнұсқалық сәулеге ұқсас пішіндегі жұқа, қатты сызық пайда болады деп болжайды. Алайда, біртекті емес магнит өрісі сәулені екі бөлек бағытта бөліп, металл пластинада екі сызық пайда болды. Бұл құбылысты импульстің спиндік моментінің кеңістіктік квантталуымен түсіндіруге болады. Атомдарда электрондар жұптасып, бірі жоғары, екіншісі төмен айналады, бұл олардың спинінің атомның жалпы әрекетіне әсерін бейтараптандырады. Бірақ күміс атомдарының сыртқы қабығында теңгерімсіз спині бар жалғыз электрон болады. Теңгерімсіз спин спиндік магниттік моментті тудырады, электрон өте кішкентай магнит сияқты әрекет етеді. Атомдар біртекті емес магнит өрісі арқылы өткенде, магнит өрісінің күш моменті электронның диполына оның орны күшті өрістің бағытына сәйкес келгенше әсер етеді. Содан кейін атом сыртқы қабық электронының спиніне байланысты күшті магнит өрісіне қарай немесе одан алыс тартылады. Электронның спині жоғары болса, атом күшті өрістен алыстайды, ал спині төмен болса, атом оған қарай қозғалады. Осылайша күміс атомдарының сәулесі әр атомның сыртқы қабық электронының спиніне сәйкес, біртекті емес магнит өрісі арқылы өтетін кезде бөлінеді. 1927 жылы Фиппс пен Тейлор сутек атомдарын пайдаланып ұқсас тәжірибе жүргізді. Кейінгі ғалымдар сыртқы қабығында тек бір электроны бар басқа атомдарды (мырыш, алтын, натрий, калий) пайдаланып тәжірибе жүргізді. Әр жолы металл пластинада екі сызық пайда болды. Атом ядросының да спині болуы мүмкін, бірақ протондар мен нейтрондар электрондардан әлдеқайда ауыр (шамамен 1836 есе), ал магниттік дипольдық момент массаға кері пропорционал. Яғни ядролық магниттік дипольдық момент атомның жалпы дипольдық моментінен әлдеқайда кішкентай. Бұл кішкентай магниттік дипольды кейіннен Стерн, Фриш және Истерман өлшеді.
Электрондардың парамагниттік резонансы
Жұпсыз электроны бар атомдар немесе молекулалар үшін магнит өрісінде тек спиндік кванттық сан өшетін, бірақ электрон орбиталы немесе басқа кванттық сандар өзгермейтін ауысулар да байқалуы мүмкін. Бұл еркін радикалдарды зерттеуге қолданылатын электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) немесе электрондық спиндік резонанс (ЭСР) әдісі. Энергия өзгерісі тек спиннің магниттік өзара әрекеттесуіне байланысты болғандықтан, орбитальдар арасындағы ауысуларға қарағанда әлдеқайда төмен болады, ал спектрлер микротолқынды аймақта тіркеледі.
Дирак теңдеуінен энергия деңгейлері
1928 жылы Пол Дирак релятивистік толқын теңдеуін жасады, қазір Дирак теңдеуі деп аталатын бұл теңдеу спиннің магниттік моментін дұрыс болжады және электронды нүкте тәрізді бөлшек ретінде қарастырды. Сутек атомындағы электронның энергия деңгейлері үшін Дирак теңдеуін шешу нәтижесінде s квант санының ішінде барлық төрт квант саны табиғи түрде пайда болды және тәжірибелік деректермен сәйкес келді.
Атомның немесе молекуланың жалпы спині
Кейбір атомдар үшін бірнеше жұптаспаған электрондардың (s, s, ) спиндері жиынтық спиндік кванттық санды S қалыптастыру үшін біріктіріледі. Бұл әсіресе жеңіл атомдарда (немесе тек жеңіл атомдардан құралған молекулаларда) спин-орбиталық байланыс спиндер арасындағы байланысқа немесе орбиталық бұрыштық моменттер арасындағы байланысқа қарағанда әлсіз болған кезде болады, бұл жағдай L S байланысы деп аталады, себебі L және S қозғалыс тұрақтылары болып табылады. Мұнда L – жалпы орбиталық бұрыштық импульс кванттық саны. Жақсы анықталған S-ге ие атомдар үшін күйдің көптігі былай анықталады: Бұл берілген (L, S) комбинациясы үшін J (орбиталық және спиндік) бұрыштық импульстің әртүрлі мүмкін мәндерінің санына тең, егер S ≤ L (әдеттегі жағдай). Мысалы, егер S = 1 болса, үштік құрайтын үш күй болады. Бұл үш күйдің өзіндік мәндері +1ħ, 0 және −1ħ. Атомдық күйдің символ термині оның L, S және J мәндерін көрсетеді. Мысалы, оттегі атомының және диоксиген молекуласының негізгі күйлерінде екі жұпталмаған электрон бар, сондықтан олар үштік күйлер болып табылады. Атомдық күйі P терминімен, ал молекулалық күйі Σ терминімен сипатталады.