Table Of ContentHans Paetz gen. Schieck
Spin –
Was ist das
eigentlich?
Ein abstrakter quantenmechanischer
Begriff, experimentelle Nachweise
und Anwendungen
essentials
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Hans Paetz gen. Schieck
Spin – Was ist das
eigentlich?
Ein abstrakter quantenmechanischer
Begriff, experimentelle Nachweise
und Anwendungen
Hans Paetz gen. Schieck
Institut für Kernphysik
Universität zu Köln
Köln, Deutschland
ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic)
essentials
ISBN 978-3-658-31359-3 ISBN 978-3-658-31360-9 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-31360-9
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Planung/Lektorin: Margit Maly
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Was Sie in diesem essential finden können
• Wie aufregend die Zwanziger- und Dreißigerjahre in der Physik waren.
• Wie mühsam das Ringen um die neuen (die richtigen) Konzepte der Quanten-
mechanik und die Verabschiedung von Vorstellungen der klassischen Physik,
aber auch von denen der frühen Quantenvorstellungen wie z. B. des Bohrschen
Atommodells war (bzw. noch ist?).
• Wie eine Idee erst reifen muss, bevor sie sich durchsetzt: Bereits der
Stern-Gerlach-Versuch hätte die Idee des Spins realisieren können. Stattdessen
dauerte das mehrere Jahre.
• Die Autoren des Stern-Gerlach-Experiments hätten zweifellos den Nobel-
preis verdient. Otto Stern erhielt ihn allein für die Atomstrahlmethode und
das magnetische Moment des Protons. Die Entdecker des Elektronenspins
erhielten den Preis ebenfalls nicht, sondern Heisenberg, der den Begriff auf
deren Beobachtungen anwandte.
• Wie durch einen einzigen „Gedankenblitz“ plötzlich eine Vielzahl leichter
Nichtübereinstimmungen mit experimentellen Fakten zurechtgerückt wird.
V
I believe in intuition and inspiration.
Imagination is more important than
knowledge. For knowledge is limited,
whereas imagination embraces the entire
world, stimulating progress, giving birth
to evolution. It is, strictly speaking, a
real factor in scientific research.
Albert Einstein in:
Cosmic Religion and Other Opinions
and Aphorisms
Dover Publications 2009 (first published
1931)
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ................................................. 1
2 Historisch-Biographisches zu den „Entdeckern“ des Spin ......... 3
3 Experimentelle Hinweise auf den Spin ......................... 7
3.1 Das Stern-Gerlach-Experiment ............................ 7
3.2 Die Feinstruktur optischer Spektren – Goudsmit und
Uhlenbeck ............................................ 9
3.3 Der Spin des Elektrons und Diracs Theorie ................... 13
3.4 Spin und Statistik ....................................... 14
3.5 Der Spin des Protons .................................... 15
3.5.1 Die spezifische Wärme von H ....................... 15
2
3.5.2 Spin und Statistik des H -Moleküls ................... 16
2
3.5.3 Spin des Protons und Hyperfeinstruktur in Spektren ...... 16
3.6 Spin und magnetisches Moment der Nukleonen ............... 18
4 Die Quantelung des Spins und seine Interpretation
als Drehimpuls ............................................. 21
4.1 Allgemeine Bemerkungen zum Spin-Formalismus ............. 21
4.2 Das Spin-1/2-System .................................... 23
4.3 Beschreibung von „reinen“ Spinsystemen .................... 25
4.4 Drehungen des Spinsystems .............................. 28
4.5 Partiell polarisierte („gemischte“) Spinsysteme ............... 29
5 Spin in der Kern- und Teilchenphysik ......................... 33
5.1 Schalenstrukturen in Atomen und Kernen .................... 34
5.1.1 Atome mit (ℓ·s)-Kopplung ......................... 34
5.1.2 Kerne mit Spin-Bahn-, Spin-Spin- und Tensorkräften ..... 35
IX
X Inhaltsverzeichnis
5.2 Spin in (Kern-)Reaktionen ................................ 38
5.3 Der Isospin ............................................ 42
6 Spin in Festkörpern, „Spintronik“ und „Magnonik“ ............. 45
7 Anwendungen: Fusion, Kernspin-Tomographie,
Hyperpolarisation .......................................... 49
7.1 Fusion ................................................ 49
7.2 Kernspin-Tomographie („MRT“) ........................... 50
7.3 Weitere Spin-Anwendungen .............................. 50
Glossar ...................................................... 55
Literatur ..................................................... 57
Abbildungsverzeichnis
Abb. 3.1 Ein kollimierter Silber-Atomstrahl aus einem Ofen, dessen
Atome eine Geschwindigkeitsverteilung (z. B. aus einer
Maxwell-Boltzmann-Verteilung abgeleitet) besitzen und
der durch ein stark inhomogenes Magnetfeld läuft, würde
klassisch nur einen verschmierten Fleck auf der Glasplatte
erzeugen. Stattdessen beobachteten Stern und Gerlach zwei
gut getrennte Streifen, die durch Ablenkungen nach oben
bzw. unten zustandegekommen waren, also zwei verschiedene
Sorten von Silberatomen. Die Bilder rechts entstammen der
Originalarbeit der Autoren .............................. 8
Abb. 3.2 Optisches Spektrum von Na mit dem Übergang vom 3p- zum
3 s-Zustand. Die gelbe Linie ist bei guter Auflösung ein
Dublett - D1 und D2, das durch die Feinstrukturaufspaltung
durch die (L·S)-Kopplung erzeugt wird. Diese Aufspaltung
ist um einen Faktor von ca. 1000 kleiner als die im oberen Teil
gezeigten Übergänge zwischen verschiedenen Hauptquanten-
zahlen n, die auch bei höherer Auflösung Doppellinien sind .... 11
Abb. 3.3 Die Deutung der beobachteten Aufspaltung (rechts, neu) der
einfachen Spektrallinien, wie sie sich bei schlechter Auflösung
darstellen (links, alt), wurde durch Goudsmit und Uhlenbeck
durch das Postulat eines Spins des Übergangs-Elektrons
(Leuchtelektron) erbracht. Der jeweilige Bahndrehimpuls
des Elektrons in verschiedenen Anregungszuständen – S für
L=0, P für L=1 und D für L=2 jeweils in Einheiten von
(cid:31) – koppelt mit dem Spin S=1/2 zu Gesamtdrehimpulsen
J =1/2,3/2 und 5/2 der jeweiligen Zustände .............. 12
XI
