Spin

Spin, im allgemeinen Sinn der Drehimpuls (auch Eigendrehimpuls) von Elementarteilchen, Atomen und Atomkernen (Kernspin).

In der Kern- und Atomphysik verwendet man den Begriff „Spin” für eine innere und unveränderliche Eigenschaft von Elementarteilchen, die sich nur mit Hilfe der Quantenmechanik beschreiben lässt. Für den Spin gibt es in der klassischen Physik keine analoge Größe. In verschiedenen Fach- und Lehrbüchern wird der Spin häufig durch den Drehimpuls veranschaulicht, der aus einer Eigenrotation des Teilchens entsteht. So besitzt der Spin beispielsweise formale Eigenschaften, die denen des quantenmechanischen Bahndrehimpulses entsprechen (z. B. vektorielle Größe, gequantelt). Der Spin ist allerdings grundsätzlich vom quantenmechanischen Bahndrehimpuls zu unterscheiden.

Rein formal wird der Spin durch den so genannten Spinoperator beschrieben – dieser enthält u. a. die Welleneigenfunktionen des betrachteten Teilchens. Wie jeder Drehimpuls in der Quantenmechanik, kann auch der Spin nicht beliebige Werte annehmen sondern ist gequantelt. Der Spin unterliegt der so genannten Raumquantelung, d. h. er besitzt eine Richtung, ist also ortsabhängig, wobei die Maximalwerte durch die Spinquantenzahl bestimmt werden. So kann beispielsweise der Spin eines Elektrons die Werte +½ × h/2p und -½ × h/2p annehmen (s. u.).

Die Existenz des Elektronenspins wurde erstmals 1925 von den holländisch-amerikanischen Physikern Samuel Abraham Goudsmit und George Eugene Uhlenbeck postuliert. Ihnen fielen gewisse Besonderheiten der Atomspektren auf, die nach den damaligen Kenntnissen nicht mit Hilfe der Quantentheorie erklärt werden konnten. Aber durch Einführung einer weiteren Quantenzahl, eben der Spinquantenzahl des Elektrons, konnten Goudsmit und Uhlenbeck die Atomspektren besser deuten. Die Hypothese des Elektronenspins bestätigten die deutschen Physiker Otto Stern und Walther Gerlach 1927. Sie hatten bereits 1921 entsprechende Vorversuche unternommen. Später erkannte Paul Adrien Maurice Dirac den Spin als notwendige Folge der Quantentheorie.

Das Konzept des Spins wurde bald auf alle subatomaren Teilchen ausgedehnt, d. h. auf Protonen, Neutronen und Antiteilchen (siehe Antimaterie). Auch Gruppen von Teilchen, z. B. Atomkerne, haben einen Spin, der aus den Spins seiner Bestandteile, der Protonen und der Neutronen, resultiert.

Nach den Ergebnissen der Quantentheorie kann die Spinquantenzahl nur bestimmte, diskrete Werte annehmen, also keine beliebigen Zwischenwerte. Diese diskreten Werte entsprechen ganzzahligen oder ungerade-halbzahligen Vielfachen der fundamentalen Drehimpulseinheit h/2p. Darin ist h das Planck’sche Wirkungsquantum geteilt durch 2p.

Die Fermionen, zu denen Protonen, Neutronen und Elektronen gehören, haben einen ungerade-halbzahligen Spin (1/2, 3/2,...). Dagegen haben die Bosonen, darunter Photonen, Alphateilchen und Mesonen, einen ganzzahligen Spin (0, 1,...). Im Gegensatz zu den Bosonen unterliegen die Fermionen dem von Wolfgang Pauli aufgestellten Ausschließungsprinzip.

Siehe auch Physik; Periodensystem