Ηλεκτρόνια και Spin.

Πριν μερικές μέρες προετοίμαζα ένα μάθημα για τους σπουδαστές μου, που αφορούσε τους κύκλους οδήγησης οχημάτων, Long & Short trims, και συστήματα αντιρύπανσης. Άρχισα να διαβάζω και κάποια πράγματα για το σκάνδαλο της Wolksvagen και πως χειραγωγούσε τους κύκλους οδήγησης. Έφτασα να διαβάζω πως λειτουργούν τα σύγχρονα συστήματα αντιρύπανσης σε σύγχρονους κινητήρες diesel. Κάπου “έμπλεξα” με τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν μέρος στην κατάλυση των οξειδίων του Αζώτου, με την βοήθεια ουρίας. Σε κάποιο σημείο λοιπόν, άρχισε να εξηγεί περισσότερο για χημικές αντιδράσεις, και μπήκε λίγο στην δημιουργία χημικών δεσμών. Ανέφερε λοιπόν για τους ομοιοπολικούς δεσμούς (πολύ σωστά) πως είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσεως και οφείλονται στην περιστροφή του φορτίου των ηλεκτρονίων που δημιουργεί μαγνητικά δίπολα.

top

Τι είναι όμως η περιστροφή των ηλεκτρονίων ή Spin, όπως είναι περισσότερο γνωστό;

Αρχικά πρέπει να πούμε πως ο όρος Spin ή περιστροφή, είναι μία ιστορική ατυχία. Εντελώς δικαιολογημένη όμως.

Τι γνωρίζαμε… Κάθε φορτίο που κινείται στον χώρο, δημιουργεί γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Αν η κίνηση του φορτίου είναι ευθύγραμμη, τότε το μαγνητικό πεδίο, έντασης Β, έχει την μορφή ομόκεντρων κύκλων. Αυτό μπορούμε να το παρατηρήσουμε πολύ εύκολα, αν σε έναν αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, τοποθετήσουμε μία πυξίδα. Ή αν σε ένα επίπεδο κομμάτι χαρτιού που υπάρχει ένας κάθετος αγωγός, ρίξουμε μερικά ρινίσματα από σιδηρομαγνητικό υλικό.

charge-1

cond-1

Επίσης γνωρίζουμε πως αν πάρουμε τον ίδιο αγωγό και τον τυλίξουμε, δημιουργήσουμε ένα πηνίο δηλαδή, το μαγνητικό πεδίο είναι ίδιο με αυτό που δημιουργεί ένας απλός ευθύγραμμος μαγνήτης. Κάθε φορτίο που εκτελεί μία κυκλική κίνηση δημιουργεί ένα μαγνητικό δίπολο. Έναν ευθύγραμμο μαγνήτη.

inductor

iron-filings-on-bar-magnet

Που κολλάνε όλα αυτά με τα ηλεκτρόνια και το Spin… Τα ηλεκτρόνια έχουν φορτίο. Αρνητικό φορτίο. Αυτά είναι που κινούνται στον αγωγό και δημιουργούν τα μαγνητικά πεδία. Επίσης γνωρίζουμε πως τα ηλεκτρόνια από μόνα τους συμπεριφέρονται σαν μαγνητικά δίπολα. Δημιουργούν γύρω τους μαγνητικό πεδίο που έχει την μορφή ενός ευθύγραμμου μαγνήτη. Από που προέρχεται ένα τέτοιο πεδίο; Αυτό που ξέρουμε είναι πως τέτοια πεδία δημιουργούνται από φορτίο που εκτελεί κυκλική κίνηση. Τα ηλεκτρόνια όμως δεν εκτελούν κυκλική κίνηση από μόνα τους. Οπότε έπρεπε να ερμηνευτεί κάπως διαφορετικά το φαινόμενο.

Η ιδέα που επικράτησε αρχικά είναι πως τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον εαυτό τους. Αν θεωρήσουμε το ηλεκτρόνια σαν μία σφαίρα, τότε το ηλεκτρικό του φορτίο θα είναι ομοιογενώς κατανεμημένο σε όλη την δομή του. Αν το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται, τότε το κάθε “στοιχειώδες” φορτίο (q) εκτελεί κυκλική κίνηση, και αυτό είναι που προκαλεί το μαγνητικό πεδίο στο ηλεκτρόνιο. Επικράτησε λοιπόν ο όρος περιστροφή ή Spin.

electron

Σιγά σιγά όμως με την μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων, προέκυψαν μερικά θεματάκια… Για να δημιουργήσει το ηλεκτρόνιο το μαγνητικό πεδίο που βλέπουμε, θα έπρεπε να περιστρέφετε γρήγορα. Πάρα πολύ γρήγορα. Τόσο γρήγορα που η γωνιακή ταχύτητα, στον ισημερινό του, θα ξεπερνούσε την ταχύτητα του φωτός κατά εκατομμύρια φορές… Επίσης σήμερα γνωρίζουμε πως τα ηλεκτρόνια είναι σημειακά. Δεν έχουν διαστάσεις. Οπότε δεν είναι δυνατόν να περιστρέφονται. Περαιτέρω, υπάρχουν και άλλες κβαντικές ιδιότητες (ξεφεύγουμε) του ηλεκτρονίου, που κάνουν την περιστροφή ενός ηλεκτρονίου αδύνατη.

Τι είναι τελικά το Spin ενός ηλεκτρονίου… Αυτό που πλέον επικρατεί σήμερα είναι πως το Spin ενός ηλεκτρονίου είναι μία κβαντική ιδιότητα του ηλεκτρονίου, που το κάνει να συμπεριφέρεται σαν μαγνητικό δίπολο. Πραγματικά “δεν ξέρουμε”. Ξέρουμε όμως τι δεν είναι. Δεν είναι περιστροφή γύρω από τον εαυτό του.

Όλα τα παραπάνω είναι πολύ απλοϊκά “τοποθετημένα”.

Υστερόγραφο. Τα ηλεκτρόνια είναι σημειακά. Δεν έχουν διαστάσεις. Γιατί έχουν μάζα όμως; 🙂 🙂 🙂

Advertisements
This entry was posted in Science and tagged , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s