Woher bekommt das Elektron sein hohes magnetisches Moment?

Erstens dreht sich das Elektron nicht wirklich. Physikalische Objekte, die aus Ansammlungen von Elektronen und Protonen (und Neutronen) bestehen, können einen Drehimpuls haben, weil sie rotieren; das Elektron erhält aus dem gleichen Grund seinen Drehimpuls nicht.

Zweitens ist das magnetische Moment eines Objekts mit Drehimpuls L proportional zu

Der Drehimpuls eines Elektrons aufgrund seines Spins ist eine feste Konstante, proportional zu$\hbar$. Da das Elektron eine sehr kleine Masse hat, ist sein magnetisches Moment sehr groß.

Für das, was es wert ist, hatte ich immer das gleiche Gefühl, dass der Spin einen Grund haben sollte. Es scheint so unbefriedigend, mehr oder weniger gesagt zu bekommen, dass "es einfach so kam". Gibt es überhaupt eine tiefere Erklärung? Ich erinnere mich an einen Artikel in AJP von vor Jahren mit dem Titel "Was ist Spin?" von Ohanian, aber ich habe mir nicht die Mühe gemacht, ihm zu folgen. Ich erinnere mich, dass es auch in einer Fußnote in Griffiths erwähnt wird.

Hey – ich habe es gefunden –

http://www.physics.mcmaster.ca/phys3mm3/notes/whatisspin.pdf

Dies könnte in die Richtung gehen, wonach Sie suchen.

Hinzugefügt nach erneutem Lesen von Ohanians Aufsatz – Ein kurzer Blick in diesen Aufsatz hat mich davon überzeugt, dass die Erklärung, die er gibt, genau das ist , wonach Sie suchen. Ich denke, die Pointe kommt auch dann rüber, wenn man sich nicht die Mühe macht, allen mathematischen Details zu folgen.

Vergessen Sie, wie im vorherigen Beitrag erwähnt, das Konzept, dass sich das Elektron tatsächlich dreht. Der Spin ist wie die Ruhemasse und die elektrische Ladung eine intrinsische Eigenschaft subatomarer Teilchen. Ja, es ist Drehimpuls. Nein, es dreht sich nichts. Obwohl viele Physiker heute diese Erklärung nicht mögen, führt die spezielle Relativitätstheorie eine nützliche Analogie zur Masse ein. Ein in einem Bezugssystem ruhendes Teilchen beginnt mit Masse$m_0$. In einem anderen Bezugssystem bewegt es sich mit Geschwindigkeit$v$. In diesem Rahmen ist die Masse des Teilchens gegeben durch

Wo$c$ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Beachten Sie, dass es einen Rahmen gibt, in dem das Teilchen Masse hat, obwohl es bewegungslos ist . Obwohl diese Analogie nicht perfekt ist, kann man sich auf ähnliche Argumente stützen, um zu akzeptieren, dass Teilchen einen intrinsischen Drehimpuls haben können.

„Spin“ ist ehrlich gesagt eine verwirrende und unglückliche Wortwahl, weil sich nichts dreht. Die Welt bezieht sich einfach auf das Vorhandensein eines Drehimpulses, wie in einem Kreisel (der sich im Gegensatz zum Elektron dreht). Die Quantenmechanik hat uns gezeigt, dass unsere Welt ganz anders ist, als wir es vom Alltag erwarten würden. Während es zahlreiche Analogien gibt, die Quantenphänomene mit vertrauten Erfahrungen verbinden, ist die Tatsache, dass die Quantenwelt anders ist als die klassische Welt, von der wir annehmen, dass wir leben. Analogien reichen nur bis zu einem gewissen Punkt, und am Ende des Tages ist es die Mathematik Nur so können wir diese Phänomene wirklich erklären.

Bearbeiten: Ich habe die Frage nicht genau beantwortet, sondern versucht, den Unterschied zwischen dem intrinsischen Drehimpuls und dem aufgrund physikalischer Bewegung zu erklären. Wie im vorigen Beitrag auch erwähnt, hat das Elektron aufgrund seiner geringen Masse ein so hohes magnetisches Moment.

Der Elektronenspin kann dem elektromagnetischen Feld zugeordnet werden, das ein freies Elektron umgibt. Beachten Sie, dass ein Elektron nicht nur eine Ladung e hat, sondern auch ein magnetisches Moment (Bohrsches Magneton$\mu_B= e/(2 m_e ) \hbar$). Somit existiert überall im Raum, der ein Elektron umgibt, außer entlang seiner Drehachse, ein von Null verschiedenes Poynting-Vektorfeld$\mathbf S=\mathbf E \times \mathbf H$entspricht dem Energiefluss, der um das Elektron herum zirkuliert. Im Sinne der relativistischen Elektrodynamik entspricht dieser Energiefluss dem Impulsfluss und schließlich dem Drehimpuls. Dieser elektromagnetische Felddrehimpuls kann dem beobachtbaren Spindrehimpuls entsprechen$\hbar/2$.

(Siehe die folgenden Links: „The electron point model“: http://www.gy.com/point.html und „Singularity-free electrodynamics for point charges and dipoles: a classic model for electron self-energy and spin“ von SM Blinder: http://arxiv.org/abs/physics/0208072 Der elektromagnetische Drehimpuls ist also nicht zwangsläufig an irgendeine klassische Rotation gebunden.

Stellen Sie sich dagegen ein geladenes Pellet in Rotation vor. Da seine Ladung mit seinen Atomen mitrotiert, erzeugt es ein magnetisches Dipolfeld, das mit dem elektrostatischen Feld des Pellets derart verzahnt ist, dass zusätzlich zum klassischen Drehimpuls des Pellets ein elektromagnetisches Felddrehimpuls erzeugt wird.