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Elektronenspin

Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. Neben ihrer Masse und ihrer elektrischen Ladung besitzen sie eine dritte maßgebliche Eigenschaft: Den Elektronenspin. Der Spin (Eigendrehimpuls) eines Elektrons ist eine Größe in der Quantenmechanik und beschreibt einen klassischen mechanischen Drehimpuls ausgehend von der Drehbewegung einer Masse. Für die Physik ist der klassische Elektronenspin von fundamentaler Bedeutung und spielt eine große Rolle bei der Beschreibung der Atomhülle sowie der makroskopischen Eigenschaften von Materie. So ist der Elektronenspin auch direkt mit Themen wie Magnetismus bzw. Ferromagnetismus verkettet.

Warum gibt es einen Elektrospin?

Bei der spektroskopischen Betrachtung von Atomen entstanden zu Beginn des 20. Jahrhunderts etliche Unklarheiten, wie man die Aufspaltung der Spektrallinien (ausgehend von den Bewegungen der Elektronen innerhalb eines Atoms) erklären könne. So schlugen die beiden US-amerikanischen Physiker Goudsmit und Uhlenbeck im Jahre 1925 vor, dem Elektron einen speziellen Drehimpuls zuzuweisen: Den Elektronenspin. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der Spin nicht die Rotationsrichtung eines Elektrons (wie bei einem Kreisel) angibt, sondern auf die innere Struktur eines Elektrons zurückzuführen ist.

Der Elektronenspin s (Spinquantenzahl) wird mit zwei Ausrichtungsoperatoren angegeben: Entweder mit +1/2 (Up) oder -1/2 (Down).

Wie misst man den Elektronenspin

Es wurde bewiesen, dass der Elektronenspin mit dem magnetischen Moment in Verbindung steht, da dieses zur Messung der Elektronenspin-Richtung verwendet werden kann. Das Stern-Gerlach-Experiment bewies, dass Silberatome in einem inhomogenen Magnetfeld abgelenkt werden, also auch hier ein Elektronenspin zu erkennen ist: Die eine Hälfte der Atome wurde in eine bestimmte Richtung abgelenkt und die andere Hälfte in die entgegengesetzte Richtung.

Der Elektronenspin hat unter Berücksichtigung des Pauli-Prinzips großen Einfluss auf die Bewegung und den Aufenthaltsort des Teilchens. In einem Zustand gleicher Energie und identischem Drehimpuls können sich in einem Atom stets exakt zwei Elektronen aufhalten. Der einzige Unterschied der beiden Teilchen liegt im gegensätzlich-ausgerichteten Elektronenspin versteckt. Sie kompensieren sich, sind also gepaart.

Welche Auswirkungen hat der Elektronenspin?

Bestimmte Atome beinhalten nur gepaarte Elektronen, wodurch der gesamte Elektronenspin gleich Null geht und sich nicht nach einem äußeren Magnetfeld ausrichtet. In diesem Fall spricht man von Diamagnetismus. Kommt es hingegen zu einer Austauschwechselwirkung, unterscheiden sich die Elektronenspins nicht in ihrer Richtung. Falls diese Austauschwechselwirkung größer als die thermische Energie der Elektronen ist, reagiert das Material ferromagnetisch.