Interpretation des orbitalen magnetischen Moments

Es ist weder noch. Diese Beschreibungen sind nur mentale Bilder für Anfänger. Sie müssen keine Zeit damit verschwenden. Die gesamte Realität gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik. Was wir klassische Physik nennen, ist unter bestimmten Umständen nur eine Annäherung an die Quantenmechanik.

Das ist wichtig: Die klassische Physik leitet sich von der QM ab und NICHT umgekehrt.

Sie müssen aufhören, in Begriffen glänzender klassischer Billardkugeln zu denken, die auf seltsame Weise herumspringen, und Sie müssen anfangen, über ein komplexes Feld wie ein Objekt nachzudenken, das, wenn es aus 30.000 Fuß betrachtet wird, Verteilungen von Erwartungswerten erzeugen kann, die so aussehen können Teilchenspuren oder elektromagnetische Wellen.

Für niedrige Energien können die Wechselwirkungen der verschiedenen Komponenten dieses Feldes, dh derjenigen, die für elektrisch geladene fermionische Zustände ("Elektronen") und denen ungeladener bosonischer Zustände ("Photonen") stehen, im Mittel die übliche Phänomenologie für wechselwirkende Elektronen reproduzieren mit elektromagnetischen Feldern wie Lorentzkräften.

Das ist jedoch nur ein kleiner Bruchteil dessen, was das QFT-Modell wiedergeben kann. Es kann auch magnetische Momente mit hoher Präzision berechnen, die Hyperfeinstruktur des atomaren Übergangs erklären, Materie und Antimaterie erklären und ihre Produktion zB in Paarproduktionsprozessen und mehr beschreiben. Zusammengenommen beschreibt das vollständigste Modell, das wir haben, fast jeden Aspekt der Elementarteilchenphysik und motiviert das Verhalten einer Vielzahl von nuklearen Phänomenen.

In gewisser Weise existiert tatsächlich etwas , das sich bewegt. Es ist nicht etwas, das gemessen werden kann, um sich zu bewegen , sondern eher Teil der quantenmechanischen Beschreibung, deren Entwicklung der klassischen Elektronenbewegung sehr ähnlich ist: die Phase der Wellenfunktion.

Sehen Sie sich diese Java-Demonstration des Wasserstoffatomorbitals an. Wenn Sie "Komplexe Orbitale (phys.)" auswählen und dann einen Zustand mit auswählen$m\ne0$, dann sehen Sie, wie sich die Farben "rotieren". Dies zeigt, dass die Phase der Wellenfunktion um die rotiert$z$Achse. In gewissem Sinne kann man sagen, dass dies das orbitale magnetische Moment erzeugt.

Aber bitte beachten Sie, ich wiederhole: Dies ist keine beobachtbare Drehung an sich ! Darüber hinaus ist die Winkelgeschwindigkeit der Phase eigentlich nicht festgelegt - sie kann um eine beliebige Konstante verschoben werden (vorausgesetzt, sie ist für alle Zustände gleich). Aber es zeigt, wie sich die Wellenfunktion mit der Zeit entwickelt. Wenn Sie versuchen, irgendetwas zu messen, erhalten Sie nur das Betragsquadrat der Wellenfunktion (für eine ausreichend große Anzahl identischer Experimente). Dennoch spielt die Phase eine Rolle bei der Erzeugung von Überlagerungen von Zuständen und schließlich bei der zeitlichen Änderung der Wahrscheinlichkeitsdichten, während die Wahrscheinlichkeitsdichten für stationäre Zustände zeitlich konstant sind, wie Sie bereits wissen.

EDIT als Antwort auf Kommentar:

Erstens ist die Wellenfunktion in dem Sinne nicht reell$\psi\not\in\mathbb R$. Es ist komplex , während alle direkt messbaren Größen real sein müssen.

Zweitens, obwohl das Atom im Eigenzustand stationär ist, können wir Linearkombinationen von Eigenzuständen mit der gleichen Richtung des magnetischen Moments machen , so dass das Ergebnis ein Wellenpaket ist, das sich messbar in eine bestimmte Richtung dreht.

Betrachten Sie für ein einfacheres Beispiel einer Translationsbewegung anstelle einer Rotation eine einfache Welle. So sieht es aus (blauer Realteil, lila Imaginärteil, gelbes Betragsquadrat):

Lassen Sie uns nun ein Gaußsches Wellenpaket bilden, wie in dieser Demonstration . Es hat den gleichen Spitzenzustand, aber zusätzlich einige Zustände mit höheren und niedrigeren Phasengeschwindigkeiten (mit kleineren Amplituden). Hier ist die Wellenfunktion (blauer Realteil, lila Imaginärteil):

Jetzt hat dieses Paket eine messbare Bewegung. Hier ist sein Betragsquadrat, das die Wahrscheinlichkeitsdichte nach der Born-Regel ist :

Sie sehen, dass Sie für einen Teilchen-Eigenzustand, der eine ebene Welle ist, seine Bewegung nicht messen können. Aber OTOH, es ist die Grenze eines unendlich delokalisierten Wellenpakets, und für ein lokalisiertes Wellenpaket können Sie seine Bewegung messen (natürlich im probabilistischen Sinne).

Dasselbe gilt für die Rotationsbewegung, sie hat nur einige weitere technische Merkmale, die für das Verständnis hier nicht relevant sind.

Obwohl die stehende Welle tatsächlich ein stationärer Zustand ist, machen Sie nicht den Fehler zu glauben, dass sich das Elektron nicht bewegt. Wie Sie sagen, wissen wir, dass sich das Elektron bewegt, weil es einen sehr realen elektrischen Strom und ein magnetisches Moment gibt. Das Elektron bewegt sich also und seine Wellenfunktion bewegt sich nicht.

Die Verwirrung kommt aus unserer alltäglichen Erfahrung, wo Trägheit und Dynamik immer in einem Paket zusammenkommen, das wir „Bewegung“ nennen. Aber mit der Quantenmechanik müssen wir diese Ideen trennen. Was ich meine ist, dass eine Quantenwelle Bewegung (Trägheit) enthalten kann, ohne selbst in Bewegung (dynamisch) zu sein.

[Übrigens ist von den beiden Standpunkten, die Sie anmerken, der Standpunkt der Wahrscheinlichkeitswolke ein viel schwächerer Standpunkt. Ich meine, aus der Wellenfunktion kann man die Wahrscheinlichkeitswolke berechnen, aber das Gegenteil ist nicht möglich.]

Die stehende Welle beschreibt die relative Elektron-Kern-Bewegung. Das Elektron selbst bewegt sich, da der atomare Schwerpunkt (eine ebene Welle) auch die Elektronenkoordinaten beinhaltet.