Spin je in

A predsa sa točí! Nie je úplne isté, či Galileo Galilei naozaj niekedy vyriekol túto vetu, ktorá je symbolom vzdoru faktov proti dogme. Čo otáčanie sa znamená pre kvantové systémy?

Heisenbergova neurčitosť v určení polohy a hybnosti nám nedovoľuje hovoriť o nijakých trajektóriách. Nevieme odmerať, akým spôsobom elektróny v atómoch obiehajú okolo jadra. Napriek tomu o otáčaní sa kvantových systémov hovoríme. Otáčavý pohyb je vo fyzike spojený s momentom hybnosti – (vektorovým) súčinom polohy a hybnosti. Ťažko však násobiť neurčité čísla. V kvantovom svete netvrdíme, že systém sa otáča, ale moment hybnosti vieme čiastočne určiť. Vďaka tomu vieme hovoriť o dôsledkoch a vlastnostiach, ktoré pre klasické systémy súvisia s otáčaním – napríklad o otáčaní sa elektrónov v atómoch. Dokonca sa ukázalo, že kvantové systémy sú priam posadnuté otáčaním sa v tomto zmysle. Majú svoj vnútorný svet, v ktorom sa otáčajú, aj keď sa netočia. Ako sme na to prišli?

Zeemanov experiment

Michael Faraday sa svojho času neúspešne pokúšal zmerať vplyv silného magnetického poľa na svetlo vyžarované atómami. O 30 rokov neskôr Pieter Zeeman zopakoval Faradayove experimenty, ale použil novinku – umelo vytvorené optické difrakčné mriežky. Vďaka väčšej citlivosti v roku 1896 pozoroval štiepenie spektrálnych čiar – zmenu frekvencií vyžarovaných fotónov pre atómy sodíka umiestnené v magnetickom poli. Nielenže sa frekvencie menili s veľkosťou magnetického poľa, ale samotná prítomnosť magnetického poľa zmenila aj ich počet.

Spektrálne čiary súvisia s riešeniami Schrödingerovej rovnice, ktorá nám hovorí, aké hodnoty energie sú pre atóm prípustné. Pre tieto hodnoty energie existujú rôzne realizácie, ktoré sa líšia práve rôznym momentom hybnosti. Magnetické pole zmení energetiku atómu a energie začnú závisieť aj od momentu hybnosti. Výsledkom sú nové rozdiely energií a nové frekvencie vyžarovaných či pohlcovaných fotónov.

Zeeman bol študentom H. Lo­rentza, ktorý popísal silu (pomenovanú po ňom), ktorou magnetické pole vplýva na pohybujúci sa elektrický náboj. H. Lorentz pracoval na formovaní teórie elektrických nábojov a prúdov, ktoré sú spôsobené elektricky nabitými časticami (elektróny boli ešte len hypotézou) a štiepenie spektrálnych čiar vedel vysvetliť. Nebolo to však všetko. V roku 1898 objavil Thomas Preston ešte ďalšie štiepenie, a to dokonca aj pre energie, ktoré zodpovedajú nulovému momentu hybnosti. Na vysvetlenie pozorovaného anomálneho Zeemanovho javu, v ktorom sa každá čiara štiepi na dve ďalšie, potrebovala fyzika novú myšlienku.

Einsteinov-de Haasov experiment

Owen Willans Richardson v roku 1908 predpovedal, že feromagnetické železo umiestnené v magnetickom poli sa pri prepólovaní tohto poľa začne otáčať okolo osi, v ktorej sa prepólovanie udialo. Dôvodom je priamy súvis medzi zmenou momentu hybnosti a zmenou magnetizácie železa. O. W. Richardson odvodil, že konštanta úmernosti bude 2m_e/e, kde m_e je hmotnosť elektrónu a e jeho elektrický náboj.

Autor článku: MÁRIO ZIMAN
Ilustrácie: DIANA CENCER GARAFOVÁ
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov wikipédia, www.ucd.ie