¿Cuál es la interpretación física del espín electrónico?

¿Solo tres respuestas? Bien, entonces agregaré uno: dar una interpretación física a la noción mecánica cuántica de ‘spin’ es un poco complicado, porque ES una noción abstracta. No se corresponde muy estrechamente con ninguna cantidad física macroscópica, ni siquiera con el “giro” mecánico clásico, aunque ambos se refieren al momento angular.

Debido a que las imágenes basadas en la mecánica clásica pueden ser tan engañosas cuando se aplican a la mecánica cuántica, es mejor no presionar demasiado. Algunas personas incluso prescinden de ellos por completo.

Entonces, ¿con qué tipo de interpretación física nos deja eso? Podemos decir que el spin representa el momento angular intrínseco del electrón, un momento que siempre tiene, sin importar qué otras fuentes de momento angular pueda tener (como el momento de giro orbital). Entonces, aunque el momento angular total puede ser mayor, siempre tiene el representado por el giro, que se suma de acuerdo con una regla de suma de vectores mecánicos cuánticos, que no es lo que aprendiste en la escuela secundaria;)

Finalmente, aunque los teóricos de cuerdas tienen sus razones teóricas para asignar al electrón un tamaño muy pequeño, todos los experimentos hasta la fecha han demostrado que el electrón es una partícula puntual. Esto hace que sea particularmente difícil considerar el giro como el giro de una parte superior, ya que un punto no tiene radio, por lo que no hay un eje para girar.

No diría que el electrón es una partícula sólida (pensamos que el átomo era, pero en realidad es en su mayoría un espacio vacío de nuevo), pero sí, el giro electrónico se basa esencialmente en la teoría de que los electrones giran sobre su propio eje cuando giran alrededor del núcleo, al igual que los planetas giran sobre su propio eje cuando giran alrededor de una estrella. Los electrones realmente giran, dando al átomo (y a una extensión el material) propiedades magnéticas especiales (un electrón giratorio se comporta como un pequeño imán).

Los giros de electrones pueden estar en dos direcciones (en sentido horario o antihorario) y, por lo tanto, los números cuánticos +1/2 y -1/2 se usan para denotar la naturaleza del giro de un electrón. Sin embargo, estos dos números no denotan específicamente el tipo de giro (+1/2 NO significa que el electrón está girando en sentido horario o antihorario, ya que sería muy difícil descubrirlo), y los valores 1/2 tienen poco significado. En realidad, todos los números cuánticos son representaciones y no tienen ningún significado en su valor numérico (es como decir que tiene la dirección 32216 Downing Street porque 32216 está relacionado de alguna manera con usted. En realidad, solo está relacionado con la ubicación cuando representa el ubicación en una red más grande y organizada de las direcciones de las calles de la ciudad).

Lo que se sabe con certeza es que cada orbital puede tener dos electrones siempre que giren en direcciones opuestas. Esto sigue (u obedece) el Principio de Exclusión de Pauli que establece que no hay dos electrones en un átomo que puedan tener el mismo conjunto de números cuánticos. Los electrones en el mismo orbital tendrán espines opuestos y, por lo tanto, diferentes números cuánticos de espín.

Además, si está interesado en saber, un electrón no apareado en un átomo tiene una fuerza magnética desequilibrada debido al giro electrónico del electrón solitario que lo hace paramagnético, es decir, es atractivo en un campo magnético externo. En los átomos donde todos los electrones están emparejados, la fuerza magnética neta es cero (dos espines de electrones opuestos cancelan los efectos del otro) y, por lo tanto, se vuelve diamagnético, es decir, se repele en un campo magnético.

Spin es una propiedad inherente de cualquier partícula cuántica, relacionada con su momento angular. NO tiene un análogo en física clásica. spin +1/2 denota una cierta naturaleza de spin que es lo contrario de -1/2, algo así como movimiento en sentido horario y antihorario en teoría clásica

Esto debería ayudarte a comenzar …

El giro intrínseco de un electrón es fundamentalmente un fenómeno mecánico clásico y está asociado con el momento angular del campo de onda de electrones.

Desafortunadamente, no hay una explicación de nivel medio que conozca o pueda pensar. La descripción del espín electrónico intrínseco se describe típicamente mediante álgebra de mentiras y teoría de grupos, y no parece haber una imagen intuitiva realmente buena para esto. Sin embargo, hay analogías con el electromagnetismo clásico y animo al lector a buscar las referencias a continuación.

Creo que es importante tener en cuenta que el espín electrónico intrínseco NO es una abstracción matemática o anacronismo histórico; girar realmente implica girar, como lo demuestra el efecto Einstein-De Haas.

Las referencias siempre tan importantes (de AJP):
Ver: ¿Qué es el giro? Página en westminstercollege.edu
Ver también: Mecánica clásica y espín electrónico.

No he escrito toda la historia aquí, pero espero haber presentado un aspecto que es importante e interesante, y en gran medida pasado por alto.

Los electrones no giran per se . Esta noción surgió del modelo planetario del átomo (al igual que nuestro sistema solar). Niels Bohr afirmó que el momento angular (y, por lo tanto, las energías) de los electrones en sus órbitas debe cuantificarse (para evitar su colapso en el núcleo) en términos de la constante de Planck. Esto dio lugar a la idea del movimiento de los electrones alrededor del núcleo en órbitas estables, como se rige por el momento angular (punto de vista clásico).

Aproximadamente una década después, Schroedinger declaró su famosa ecuación que contenía lo que se llama una función de onda . La función de onda contendría toda la información posible sobre el electrón. Además, Max Born dio la interpretación de que el módulo al cuadrado de la función de onda (descrito por una base adecuada) representa una densidad de probabilidad (en el espacio de esa base). Esta cantidad después de la integración, daría la probabilidad de que el electrón esté presente en ese punto (en la base), normalizado a 1.

Una base de posición (cartesiana “x, y, z” o polar esférica “r, theta, phi”) es un ejemplo de una base. La función de onda descrita en esta base tendría entonces todo tipo de información sobre el electrón, en función de su posición . Además, el módulo al cuadrado de la función de onda luego describiría la densidad de probabilidad del electrón para estar presente en algún intervalo espacial (entre “x, y, z” y “x + dx, y + dy, z + dz”). Una base de momento también es un ejemplo de una base, donde la “x” se reemplaza por “k”, la variable conjugada , el vector de onda de momento. Estas bases están conjugadas entre sí (relacionadas por una transformada de Fourier ).

Como puede ver, el movimiento del electrón ahora no está contenido en ninguna órbita, sino por una probabilidad. Además, el principio de incertidumbre de Heisenberg establece que la incertidumbre de la posición y el momento del electrón no puede ser cero, es decir, simplemente no se puede determinar el electrón con la posición perfecta y el momento perfecto. Si localizas la posición perfectamente, pierdes el rastro de su impulso (y viceversa). Esto es solo rareza cuántica, y el electrón es uno de sus epítomes.