V21 Spin-Messer oder Stern-Gerlach-Apparatur |
(1) Ein "Spin-Messer" soll hier nur
im Prinzip beschrieben werden. Wichtiger als seine Funktion sind
die Messergebnisse, die er für Elektronen (oder andere Fermionen)
liefert.
Grob beruht er darauf, dass das zu vermessende Elektron oder Atom durch ein stark inhomogenes Magnetfeld geschickt wird. Die Stärke des Magnetfelds soll in Richtung des Magnetfelds abnehmen. Dadurch ist eine Bezugsrichtung (im Bild die z-Richtung) ausgezeichnet. Ein klassisches Teilchen ohne Spin (oder anderem Drehimpuls) würde unabgelenkt das Magnetfeld passieren. Elektronen oder bestimmte Atome dagegen werden in eine von zwei Richtungen**) abgelenkt. Es stellt sich heraus, dass ihr Spin entgegengesetzte Komponenten in Bezugsrichtung hat. Die "Richtungsquantelung" war die überraschende Beobachtung und Erkenntnis von Stern und Gerlach 1921/22. Uhlenbeck und Gouldsmit schlossen 1925 aus den genau zwei Ablenkmöglichkeiten, dass Elektronen eine bislang unbekannte Eigenschaft haben. Man gab ihr den Namen "Spin". Sie erhielten dafür 1944 den Nobelpreis. So war das Stern-Gerlach-Experiment ein wichtiger Schritt zur Entdeckung des Elektronenspins. |
(2) Diese zwei Einstellmöglichkeiten relativ zur Bezugsrichtung gibt es immer, unabhängig davon, wie die Bezugsrichtung im Raum orientiert ist (vgl. die beiden Zeichnungen). Das gilt auch weitgehend unabhängig davon, ob vorher schon ein Spin gemessen wurde. Die jeweilige Komponente des Spins ist dann "halbzahlig". D.h. die Komponenten in Bezugsrichtung sind + ½·h/2π = + ½·ℏ oder -½·h/2π = - ½·ℏ mit dem Planck'schen Wirkungsquant h. Ein solcher Spin-Messer heißt häufig Stern-Gerlach-Apparatur *). |
E | 1. Durch eine Stern-Gerlach-Apparatur
wird der Spin von Fermionen (Elektronen, Atomen,
Neutronen, ... ) gemessen.
2. Bei "Spin-½-Teilchen" wie Elektronen gibt es genau zwei Einstellmöglichkeiten des Spins in einem Magnetfeld oder bzgl. einer beliebigen Vorzugsrichtung. |
*) Es ist klar, dass die elektrische Ladung eines einzelnen bewegten Elektrons wegen der Lorentz-Kraft in einem Magnetfeld eine Spin-Messung erschwert. Deswegen hatten Stern und Gerlach ursprünglich mit neutralen Atomen wie Ag mit einem äußeren Elektron Erfolg. Für alle Elektronen in abgeschlossenen atomaren Schalen heben sich Spin- und Bahnmomente gegenseitig auf, so dass nur das Spinmoment des äußeren Elektrons überlebt. Spinmäßig verhält sich also ein Ag-Atom wie ein einzelnes Elektron. Es ist dennoch üblich, bei grundsätzlichen Diskussionen der Spin-Messung an freien geladenen Teilchen - wie in diesem Text - von einer Stern-Gerlach-Apparatur zu sprechen.
Ein Spin-Messer wird bei Elektronen ähnlich verwendet wie
bei Photonen ein Polarisator. Oft wird auch gesagt, ein
Spin-Messer stelle die Polarisation von Elektronen fest.
**) In dieser schematischen
Darstellung wird nicht thematisiert, in welche Richtung welcher Spin
abgelenkt wird. Deswegen wird für jede Magnetfeldorientierung dasselbe
Symbol verwendet. Anders als in der gewählten bildlichen Darstellung
zeigt der Elektronenspin nicht exakt in die Bezugsrichtung.
Wie ein Polarisator für Photonen hat der Spin-Messer für Elektronen zwei Ausgänge. Anders als bei Polarisatoren für Licht können beide genutzt werden. Die austretenden Elektronen haben dabei entgegengesetzte Polarisation.