• Santoprene ®
• Supraleiter

Spins

Spins im Magnetismus

In der Physik nennt sich der eigene Drehimpuls von einzelnen Teilchen „Spin“ (zu Deutsch „Drehung“). Hierbei handelt es sich um eine quantenmechanische Theorie. Aus physikalischer Sicht entspricht das abstrakte Konzept von rotierenden Teilchen allerdings nicht exakt der Realität. Vielmehr sind Spins als eine Analogie zu Vorgängen mit ähnlichen Eigenschaften (wie dem Bahndrehimpuls) zu verstehen. Stephen Hawking nutzte eine Pfeil-Analogie, um den Eigendrehimpuls von Teilchen zu erklären:

"Teilchen mit dem Spin 0 ist ein Punkt: Es sieht aus allen Richtungen gleich aus. Ein Teilchen mit dem Spin 1 ist dagegen wie ein Pfeil: Es sieht aus verschiedenen Richtungen verschieden aus. Nur bei einer vollständigen Umdrehung (360 Grad) sieht das Teilchen wieder gleich aus. Ein Teilchen mit dem Spin 2 ist wie ein Pfeil mit einer Spitze an jedem Ende. Es sieht nach einer halben Umdrehung (180 Grad) wieder gleich aus.“

Der Spin gehört zu den grundlegenden Annahmen in zahlreichen Naturwissenschaften, beispielsweise Magnetismus und Chemie.

Berechnung von Spins

Im Jahr 1925 verwendeten die Physiker Goudsmit und Uhlenbeck erstmals den Begriff „Spin“, um während eines Experiments die Aufspaltung von Spektrallinien zu erklären. Da ein Spin den Drehimpuls in Bezug auf die eigene Körperachse eines Teilchens beschreibt, lässt sich dieser Vorgang als Axialvektor abbilden. Dem Spin-Statistik-Theorem zufolge haben Fermionen eine halbzahlige und Bosonen eine ganzzahlige Spin-Quantenzahl s. Der Spin stellt also immer (auch im Magnetismus) ein ganz- bzw. halbzahliges Vielfaches des Planck’schen Wirkungsquantums ℏ dar. Dementsprechend gilt für die Berechnung von Spin-Quantenzahlen bei verschiedenen Elementarteilchen:

• Fermionen:
Elektron, Neutrino, Quarks → 1/2 ℏ
Supersymmetrische Teilchen → 3/2 ℏ

• Bosonen:
Higgs-Boson → 0
Photon, Gluon, W-Boson, Z-Boson → 1ℏ
Graviton → 2ℏ

Um den gesamten Spin-Wert aus größeren Systemen wie Protonen, Neutronen, Atomkernen, Atomen oder Molekülen zu ermitteln, muss man die Spins der einzelnen Teilchen addieren.

Spins und ihre Bedeutung für die Wissenschaft

Heutzutage spielen Spins in vielen Bereichen der Forschung und Technik eine wichtige Rolle – von Magnetismus bis hin zu medizinischen Untersuchungen. Überlegungen zum quantenmechanischen Bahndrehimpuls tragen maßgeblich zur Erklärung des magnetischen Moments eines atomaren Teilchens bei. Je nach Art des Spins enthält ein Teilchen verschiedene Energiemengen in einem Magnetfeld. Da es zwischen Elektronenspins und Kernspins zu einer magnetischen Wechselwirkung kommt, entstehen spezielle Spektrallinien. Deren Verhalten lässt sich optimal für die Elektronen-Spin-Resonanz oder die Kernspintomografie (auch Magnetresonanztomografie, kurz MRT genannt) nutzen.