電子のスピンはマクロ準位にどのような影響を与えますか?|化学

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電子スピンは、星間空間の磁場を研究し、星形成を予測するために使用されるゼーマン効果に寄与します。

電子という言葉を聞いたとき .しかし、荷電されて動いているため、それらは磁気特性も持ち、量子スケールで非常に多くの興味深い現象を引き起こし、星間スケールでさえ結果をもたらします.

磁性に寄与する電子固有の性質は、スピンと呼ばれます .マクロスケールでスピンの影響を理解するには、まずスピンとは何かを理解することが重要です。

電子は回転する球体のように振る舞い、その結果、磁場が発生します。 (写真提供:Fouad A. Saad/Shutterstock)

電子スピン:誤称

ボーアの原子理論は、古典理論を量子世界に拡張したものでした。本質的には、地球が太陽の周りを回るように、電子は原子核の周りを回っていると考えられていました。このように、太陽地球システムの数学的枠組み全体 (角運動量、角速度、自転と公転のエネルギーなどの計算) は、電子原子核システムに拡張されました。

電子は空間質量分布のない点電荷として振る舞うため、古典力学の回転のアナロジーは破棄され、軌道のアナロジー（つまり、原子核の周りの回転）のみが保持されました。したがって、電子は軌道角運動量を持つと仮定されていました関連する 軌道磁気モーメント .

その後の実験で、電子には固有の磁気モーメントと固有の角運動量があり、これらは軌道成分とは無関係であることが示されました。

これはスピン角運動量と命名されました スピン磁気モーメント 古典的な観点から考えると理にかなっているからです。 電子は回転しない 理由 それは特殊相対性理論の法則を破る .したがって、スピンは誤称であり、オブジェクトの物理的な回転と混同してはなりません.

L は軌道角運動量、S はスピン角運動量です。 J は総角運動量で、L と S のベクトル和です。 (写真提供:Maschen/Wikimedia commons)

電子スピンの効果:ゼーマン効果

水素原子を考えてみましょう。ボーアは、電子がとることができる特定の軌道しかないと仮定しました。それらは定常状態と呼ばれていました .これらを表す便利な方法は、主量子数 n を使用することでした。ここで n 軌道番号を表します。たとえば、n=1 最低軌道 (原子核に最も近く、最も安定)、n=2 n=1 よりも高いエネルギーを持つ次の許可された軌道でした .同様に、さらなる軌道は n=3, 4, 5, と指定されました …など。n の値が大きいほど、電子のエネルギーが大きいほど。

n番目 軌道は次の式で与えられます:

、ここで

h =プランク定数

m =電子の質量

v =電子の軌道運動の線速度

R =n 番目の軌道の半径

電子にエネルギーを与えると、電子はより高いエネルギー状態に促進されます (n=1 から n=2、3、4へ、…など）。エネルギー的に励起された電子が基底状態に戻ると、2 つの主要な量子状態のエネルギー差に等しいエネルギーを持つ電磁放射を放出します。これらの遷移はスペクトロメーターで見ることができます、スペクトルは発光スペクトルと呼ばれます .

水素原子の発光スペクトル。スペクトルの下の目盛りは、遷移の波長を示す発生位置を測定します。 (写真提供:Patrick Edwin Mora/Wikimedia commons)

外部磁場の存在下で水素の発光スペクトルを分析すると、奇妙な現象が発生します。ボーアの理論は、線が n=3 のトリプレットに分割されることを正しく予測しました n=2まで 軌道角運動量のみを考慮 .しかし、ナトリウムのスペクトルを分析すると、n=3 から n=2 などのさまざまな遷移に対応する線が表示されます。または n=4 から n=3 3 行以上に分割されましたが、ではありませんでしたボーアの理論によって予測されました。

スピン磁気モーメントと呼ばれる固有の磁気モーメントの存在によってのみ説明できます。 .このスピン磁気モーメントは 軌道磁気モーメント と相互作用します間隔の狭い複数の線を生成します。

数学的には、軌道とスピンの磁気モーメントは次の式で与えられます:

およびそれぞれ、

=スピン磁気モーメントと軌道磁気モーメント、それぞれ

e =電子の電荷

m =電子の質量。

, =それぞれ軌道角運動量とスピン角運動量

=ボーア磁子

=ランデのスピン g ファクター ~ 2.002

これら 2 つを足し合わせると、結果の磁気モーメントは次の式で与えられます

この磁気モーメントがゼーマン効果の原因です .外部磁場の存在下での線の分割は、周波数の変化も発生することを意味します。周波数シフトは次の式で与えられます:

ここで

=シフトされていない頻度

g =ランデの g 係数

B =磁場強度

=ボーア磁子

h =プランク定数

上記の式から B 周波数がわかれば計算できます。この周波数は、分光計を使用して測定されます。

水銀蒸気のスペクトル線。 A には磁場がありません。 B は横方向のゼーマン効果を生成する磁場で、C は縦方向のゼーマン効果を示します。 (写真提供:ウォーレン・レイウォン/ウィキメディア・コモンズ)

マクロスケールでのスピンの効果

スピン磁気モーメントが軌道磁気モーメントおよび外部磁場と相互作用し、エネルギー準位が分裂することを見てきました。マクロスケールでは、これは天体物理学で使用されます。

星間空間での星形成の研究

星間空間は、H2、CO、OH、HI などのさまざまなガスで構成されており、最も豊富なガスは水素ガスです。これらのガスは、非常に細かいちりの粒子とともに、ガス雲を作ります。重力は質量の本質的な特性であるため、これらのガスは集まって大きなガス雲を形成し、空間のその領域の質量密度を増加させ、その結果、より大きな重力が発生し、さらに多くの物質が蓄積されます。したがって、正のフィードバックループが作成され、重力が質量を一緒に圧縮し、圧縮された質量による引力が増加します。

星間空間には、~ 3uG – オーダーの弱い磁場も含まれています。 6uG. 平衡状態では、この磁場がガス雲の引力のバランスを取り、さらなる質量の蓄積を防ぎます。雲の質量に対する磁束の比率は、星形成の研究に役立ちます。