Quantenmechanik 8: Elektronenspin
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- Опубліковано 28 вер 2024
- In diesem Video geht es um den Elektronenspin. Dieser ist wieder einmal so eine typische kontraintuitive Quantensache, die man eigentlich nicht verstehen kann. Einerseits weiß man, dass jedes Elektron einen Spin hat, ähnlich wie ein rotierender Ball. Man hat aber keinen blassen Schimmer, wodurch beim Elektron dieser Spin hervorgerufen wird.
- Наука та технологія
Das ist das achte Video einer Videoserie über die Quantenmechanik. Die Videos können einzeln angesehen werden, aber sie sind aufbauend konzipiert und haben einen roten Faden. Deshalb ist es günstig, sich die Videos der Reihe nach anzusehen.
Im neunten Video geht es um Pauli-Verbot und Periodensystem:
ua-cam.com/video/0bPD2riyakA/v-deo.html
Warum ist sowas nicht in den Trends oder im RTL Nachmittagsprogramm? Was wären wir für eine gebildete Gesellschaft?
🙏🏻
Hervorragend, ruhig vorgetragen. Habe dazugelernt, bei diesem schwierigen Thema. Danke
🙏🏻
Super geil erklärt. Vielen vielen Dank dafür 🙂
Danke für den geilen Kommentar! 😊
Sehr gerne 🤣🤣@@MartinApolin
Es kommt was Merkwürdiges dazu. Klassisch ist die Rotationsgeschwindigkeit das eine, das andere ist die Ausrichtung der Drehachse. Wie ist es damit beim Elektron? Antwort: Die Ausrichtung wird erst bei einer Messung bestimmt, ansonsten ist sie unbestimmt. Klassisch ausgedrückt, rotiert das Elektron quasi um alle möglichen Achsen gleichzeitig, was anschaulich natürlich völlig absurd ist. Es ist aber typisch für Quanteneigenschaften. Auch z.B. der Ort ist unbestimmt (s. Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation) und wird erst bei der Messung konkret.
Es gibt ein berühmtes Experiment, das die Unbestimmtheit zeigt, der Stern-Gerlach-Versuch. Da wird ein Elektronenstrahl durch mehrere Magnetfelder geschickt. Im ersten Magnetfeld wird der Strahl in zwei gleichgroße Teile gespalten, je nach Spin +1/2 oder -1/2. Einer der Teilstrahlen durchläuft ein anderes Magnetfeld. Klassisch wäre zu erwarten, dass er gesamt in eine Richtung abgelenkt wird, es sind ja nur Elektronen mit +1/2 bzw. -1/2 drin. Aber der Teilstrahl wird wieder zu 50% aufgespalten! Man kann das mit beliebig vielen und unterschiedlich ausgerichteten Magnetfeldern wiederholen, es passiert immer das Gleiche. Verrückte Quantenwelt!
Wie kann es sein sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit drehen und Myonen, abhängig welche Teilchen in der Nähe sind, sich unterschiedlich schnell drehen?
Ich fürchte, ich verstehe die Frage nicht! Myonen haben denselben Spin wie Elektronen, nämlich +/-1/2. Sie "drehen" sich also auch immer exakt genau gleich schnell - salopp gesagt. Was dieser Spin wirklich ist und wie er zustande kommt, weiß man ja nicht. Man kann gewissermaßen nur die Auswirkungen messen.
Super interessant. Ich habe nur immer das Problem, dass ich anscheinend zu dumm bin für sowas oder einfach eine falsche Art zu denken habe weil mir zu jeder beantworteten Frage neue Fragen dazu kommen. Es droht infiniter Regress :-) So auch hier. Wenn das Elektron einen Spin hat, muss doch zur Aufrechterhaltung dieses Spins ständig Energie umgewandelt werden, oder?
Die Quantenmechanik ist leider komplett kontraintuitiv. Der Nobelpreisträger Richard Feynman hat einmal gesagt: "Ich gehe davon aus, dass niemand die Quantenmechanik versteht". Damit meint er, dass wir keine Bilder davon haben. Die Elektronen zum Beispiel verhalten sich salopp gesagt wie ewig rotierenden Bälle, die immer mit demselben Tempo rotieren. Wie machen sie das? Darauf hat niemand eine Antwort!
Es ist wichtig zu wissen, dass die Quantenmechanik eine der am besten experimentell bestätigten physikalischen Theorien ist. Aber: Es ist sinnlos, diese Theorie bildlich nachvollziehen zu wollen.
Ich rate, alle Videos der Playlist Quantenmechanik von 1 bis 12 anzusehen, weil ich das Thema mit rotem Faden von A bis (fast ) Z aufgebaut habe.
ohne Reibung gibt es drehimpulserhaltung.
@@neutronenstern. Stimmt natürlich. Es ist aber gefährlich, sich den Teilchenspin etwa wie den Spin eines Tennisballs im Weltall vorzustellen. Erstens sind Elektronen keine kleinen Kugeln sondern unscharf und zweitens ist der Spin vor der Messung völlig unbestimmt und kann jede Richtung annehmen. Dazu gibt es keine Analogie in der Mechanik.
@@MartinApolin wie misst man so einen Spin eigentlich? Weil das Magnetfeld verursacht durch ein einzelnes Elektron dürfte ja wohl zu schwach sein, um es zu messen. Und bei einem Neutron gibt es ja keine Ladung.
@@neutronenstern. Soweit ich weiß geht das nur durch Interaktion mit anderen Teilchen oder Feldern. Der Klassiker ist der Stern-Gerlach-Versuch, bei dem man Silberatome durch ein Magnetfeld schießt und gewissermaßen zwei Flecken erzeugen kann. In der Regel nimmt man bei Verschränkungen vor allem die Polarisation von Photonen, weil das praktikabler ist.
Ich würde ja fast sagen (und würde gerne wissen, ob ich da einen Denkfehler habe), dass der quantenmechanische Spin der einzig echte Drehimpuls in der Physik ist. Da klassische physikalische Körper in der Realität aus verschiedenen Komponenten bestehen (Moleküle -> Atome -> Elementarteilchen) ist auch der klassische Drehimpuls nur ein Scheindrehimpuls, der sich emergent aus einer "einfachen" koordinierten Kreisbewegung aller beteiligten Komponenten um einen gemeinsamen Mittelpunkt ergibt. Die einzelnen Komponenten drehen sich dabei ja gerade nicht um sich selbst.
Ich finde das eine sehr faszinierende Überlegung und stimme Ihnen auch zu. So gesehen ist der Spin wirklich der einzig echte Eigendrehimpuls, wenn man in Rechnung zieht, dass alle andern Objekte ja aus vielen Teilobjekten bestehen und sich um ihren virtuellen Gesamtkörper-Schwerpunkt drehen. Wenn man dann aber konsequent weiter denkt, muss man sagen, dass es gar keinen „echten“ Eigendrehimpuls gibt, weil dieser bei den Quanten ja ziemlich sicher nicht durch die Eigendrehung zu Stande kommt. Eine sehr interessante Überlegung!
Nur mal angenommen ( wir sind ja hier unter uns ) der liebe Gott hätte vergessen, den Elektronen eine Spin mitzugeben, dann hätte das ja gravierende Auswirkungen auf die chemischen Eigenschaften der Elemente.
Gemäß des Pauliverbotes, hätten dann nur noch halb so viele Elektronen Platz auf den jeweiligen Elektronenorbitalen. Helium währe dann zum Beispiel ein äußerst reaktionsfreudiges Element, statt eines Edelgases.
Und was den Sauerstoff angeht.....
Ui... Da bleibt einem ja die Luft weg.
Genug gesponnen für heute.
Es ist immer wieder faszinierend, wie wir Effekte für uns nutzen können, aber selbst solche "Physik-Basics" wie Elektronen nicht verstanden haben. In der Schule oder Uni ist der Spin halt einfach gegeben. Dann konnte man damit arbeiten und zb. Molekülorbitale befüllen. Interessant war da zb. der Singulett-Sauerstoff, welcher andere Eigenschaften hat, weil die Molekülorbitale unterschiedliche "befüllt" wurden.
Man kann den Spin als "Interferenz" mit der eigenen Materiewelle interpretieren. Der "Hebelarm/Kreiselachse" entspricht ziemlich genau der Comptonwellenlänge, also der räumlichen Ausdehnung ohne weitere Modellvorstellung.
Spin-1/2 Teilchen haben eine bestimmte Statistik (Fermi-Dirac-Statistik) und zu jedem von ihnen gibt es ein Antiteilchen.
👍