Spin

Quantenphysik

Basiswissen

Der Spin ist eine „Elementarteilchen innenwohnende Eigenschaft, die mit der üblichen Vorstellung von Rotation verwandt, aber nicht identisch ist^{[1, Seite 228]}.“ In der Quantenphysik kann man einem Teilchen einen Eigendrehimpuls zuordnen. Dieser wird in der Quantenphysik kurz Spin genannt. Für Elektronen in einer Atomhülle steht dafür die Spinquantenzahl.

Der Spin modellhaft als Pfeile =====

Der Physiker Stephen Hawking (1942 bis 2018) beschrieb den Spin von Teilchen anschaulich als Analogie zu Pfeilen. Der Spin stellt damit vor allem einen Bezug zur Richtung her, unter der man eine Beobachtung anstellt. Hawking schreibt sinngemäß^{[1, 92]}:

Ein Teilchen mit dem Spin 0 ist wie ein Punkt, es sieht nach einer beliebigen Drehung aus wie vorher.

Ein Teilchen mit dem Spin 1 ist wie ein Pfeil mit einer Spitze: nur nach einer Drehung um 360° sieht es wieder aus wie vorher.

Ein Teilchen mit dem Spin 2 ist wie ein Pfeil mit einer Spitze an jedem Ende: es sieht nach einer halben Drehun (180°) wieder aus wie vorher.

Ein Teilchen mit dem Spin ½ kann nicht als Pfeil veranschaulicht werden. Ein solches Teilchen sieht erst nach zwei vollständigen Drehungen (720°) wieder aus wie vorher.

Spin ½: Materieteilchen

Hawking zufolge lassen sich alle bekannten Teilchen im Universum in zwei Arten einteilen: die Teilchen mit einem Spin ½ bilden die Teilchen der Materie^{[1, Seite 92]}. Nur die Materieteilchen gehorchen dem Ausschließungsprinzip von Pauli. Das heißt, zwei Materieteilchen derselben Art können innerhalb einer Bereiches, der von der Heisenbergschen Unschärferelation begrenzt ist, nicht im gleichen Zustand sein. Hawking beschreibt, wie nur dieses Ausschließungsprinzip dafür sorgt, dass Materieteilchen, also solche mit Spin 0, 1 oder 2 nicht gleichzeitig am gleichen Ort sein können. Nur so kommt es zu voneinander getrennten Protonen und Neutronen. Versagt das Ausschließungsprinzip, gilt diese Regel nicht mehr und die Materie kann auf einen Punkt im Raum zusammenzustürzen. Das Ergebnis ist dann ein Schwarzes Loch ↗

Spin 0, 1 oder 2: Austauschteilchen

Die Teilchen mit einem ganzzahligen Spin, also dem Spin 0, 1 oder 2, bilden die Teilchen, die für die Kräfte zwischen den Materieteilchen verantwortlich sind^{[1, Seite 92]}. Hawking nennt diese Teilchen virtuelle Teilchen. Ein anderer Begriff ist Austauschteilchen. Sie unterliegen nicht dem Ausschließungsprinzip von Pauli^{[1, Seite 94]}, sie können also alle gleichzeitig im gleichen Zustand vorkommen. Die Austauschteilchen können auch reale vorkommen, etwa als Welle wie das Photon. Siehe auch Austauschteilchen ↗

Fußnoten

[1] Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Urkraft des Universums. Englischer Originaltitel: A Brief History of Time. From the Big Bang to Black Holes. Deutsch im Rohwolt Taschenbuch Verlag. 1988. ISBN: 3-499-188-50-3.

[2] Spin erzeugt Magnetfeld: "A crude but appealing 'explanation' of the origin of the electron's magnetic field is that quantum uncertainty in position smears the electron's charge over a volume, which rotates because of the electron's spin. The electron is effectively a spinning ball of charge, and elementary electromagnetism tells us that this generates a magnetic-dipole field. The size of that ball can be estimated to be roughly 2.4 × 10−12 metres." In: F. Wilczek: The enigmatic electron.: Nature 498, 31–32 (2013). https://doi.org/10.1038/498031a