Würzburger Quantenphysik- Konzept

G47 Messung des Elektronenspins und "objektive Un-be-stimmtheit"

Lehrtext/Inhalt

Glossar

wissenschaftliche Experimente

Im- pres- sum

Einfache Spin-Messung

                       

                     


Ein Elektron durchlaufe eine Stern-Gerlach-Apparatur bzw. einen Spin-Messer, dessen Bezugsrichtung parallel zur z-Achse verläuft. (Es sei nicht in einem Eigenzustand bzgl. der z-Richtung des Spins).

Es stellt sich heraus, dass der Spin nur in z-Richtung oder nur entgegengesetzt zur z- Richtung orientiert sein kann.

Bei einer Quelle ohne Vorzugsrichtung und bei Spin-Messungen an sehr vielen ihrer Elektronen ergibt die Messung in 50% aller Fälle einen Spin in z-Richtung und in 50% der Fälle einen Spin entgegengesetzt dazu.*)


Mehrfache Spin-Messungen

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Mehrfache Spin-Messungen

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Ein Elektron mit eindeutigem Spin in z-Richtung, festgestellt durch eine Messung (1), durchlaufe nun einen Spin- Messer (2), dessen Bezugsrichtung parallel zur y-Achse verläuft (untere Zeile der Figur).

Da die y-Achse senkrecht zur z-Achse verläuft, würde man erwarten, dass kein Elektron abgelenkt wird.

Überraschenderweise ergibt die Messung auch hier in 50% aller Fälle einen Spin in y-Richtung und in 50% der Fälle einen Spin entgegengesetzt dazu. Andere Orientierung gibt es nicht.

Unter den Elektronen, die den y-Messer passieren, wird nun ein Elektron herausgegriffen, dessen Spin sich als parallel zur y-Achse gerichtet herausgestellt hat.

Zuvor war der Spin doch in z-Richtung orientiert. Ist nun der Spin in z-Richtung gerichtet oder in y-Richtung?

Eine nochmalige Spin-Messung (3) mit der z-Achse als Bezugsrichtung soll das klären.

Überraschenderweise ergibt die Messung auch hier in 50% aller Fälle einen Spin in z-Richtung und in 50% der Fälle einen Spin entgegengesetzt dazu.

Dass jetzt auch ein Spin in -z-Richtung herauskommen kann, obwohl wir von einem Elektron ausgingen, das eindeutig in +z-Richtung orientiert war, ist klassisch unverständlich.

Das kann nur durch zwei Annahmen geklärt werden:

1.

Spin-Messungen bzgl. unterschiedlicher Richtungen sind nicht verträglich ("komplementär").

Jede Messung bei geänderter Bezugsrichtung macht frühere Messergebnisse ungültig. Nach einer Spin-Messung sind sämtliche Informationen über den Spin in andere Richtungen verloren gegangen (ungültig geworden).

2. Ohne eine Messung besitzt ein Elektron im Allgemeinen keinen be-stimmten Spin. Durch eine Messung wird der Spin be-stimmt bzgl. der Bezugsrichtung des Spin-Messers. Bezüglich anderer Bezugsrichtungen ist der Spin un-be-stimmt.

Stattdessen könnten wir auch sagen:

Ein Elektron besitzt nicht zugleich eine Spinkomponente in x-, y- oder z-Richtung.

Die gleichen Ergebnisse würde man erhalten, wenn man das nach der ersten Messung in z-Richtung orientierte Elektron noch durch einen Spin-Messer für die x-Richtung laufen ließe.


Führt man unmittelbar nacheinander zwei Spin-Messungen bzgl. der gleichen Bezugsrichtung (hier z-Richtung) durch, wie in der oberen Zeile der Figur, dann erhält man beide Male das gleiche Ergebnis:

("Messungen in der Quantenphysik sind reproduzierbar")


Führt man aber zwei Spin-Messungen bzgl. unterschiedlicher Bezugsrichtungen durch (hier erst z-Richtung, dann y-Richtung), so erhält man wieder in 50% der Fälle einen Spin in Bezugsrichtung und in 50% der Fälle einen Spin entgegen der Bezugsrichtung. Die Ergebnisse der vorausgehende Messung sind dann ungültig geworden, wie eine dritte Spin-Messung zeigt.

E 1. Spin-Messungen sind das m.E. klarste Beispiel für einen Grundzug der Quantenphysik, nämlich die "Nichtexistenz aller klassisch möglichen Eigenschaften gleichzeitig" bzw. deren "objektiven Un-be-stimmtheit". Paare von Messgrößen oder Eigenschaften, bei denen das der Fall ist, heißen zueinander komplementäre Messgrößen.**)

2. Hier müssen wir also sagen, dass die Komponenten Sz, Sy und Sx des Elektronenspins jeweils paarweise zueinander komplementär sind. Diese Spin-Komponenten haben nicht gleichzeitig be-stimmte Werte.

*) Die Wahl der z-Richtung ist willkürlich. Häufig wählt man die Richtung des Magnetfelds als z-Richtung.

**) Man muss allerdings sagen, dass der Spin ohnehin keine klassische Eigenschaft ist. Er ist auch in der nichtrelativistischen Quantenmechanik nicht erklärbar, sondern wird erst durch die Relativitätstheorie verständlich.