Spin của electron là gì?

Spin …Spin …Spin … (tiếng Anh) …Quay …Quay …Quay

👨‍🔬 Câu hỏi của bạn Quoc Chau_ngày 15/09/2024

… Vậy thầy cho em hỏi “spin” mà thầy nhắc đến là gì không ạ. Em xin cảm ơn thầy ạ!

Trong bài viết “Lớp và Phân lớp electron, hướng dẫn tìm số electron tối đa”

Mến chào Quoc Chau,

Câu hỏi rất hay, cần đọc và suy nghĩ để trả lời sao cho hợp lí nhất. Cám ơn sự kiên nhẫn của Quoc Chau rất nhiều.

🌎🌳Ở cấp 3, khi nói về spin, T nói thế này

*Khi trái đất quay quanh mặt trời; bản thân Trái đất cũng tự quay quang trục Bắc – Nam của chính mình từ phía Tây sang phía Đông. Nếu có dịp đến sao Bắc cực Polaris, mình nhìn sẽ thấy Trái Đất quay ngược chiều kim đồng hồ.

*Giống vậy, electron trong khi chạy lòng vòng quanh hạt nhân; bản thân electron cũng tự quay quanh trục của chính mình – các nhà khoa học (sau vô số nghiên cứu, tính toán đắn đo) gọi hiện tượng electron quay là SPIN (trong tiếng Anh, Spin nghĩa là Quay). Nhưng khác Trái đất, họ nghiên cứu đến rụng tóc👴 và nói ELECTRON QUAY THEO 2 HƯỚNG: hướng của từ trường hoặc hướng ngược lại của từ trường. Các nhà khoa học phải chọn đơn vị cho spin, và sau khi làm này nọ, giải Toán lượng tử tùm la tùm lum… sau cùng, họ biểu diễn SPIN CỦA ELECTRON bằng ký hiệu m_s và tính ra hai giá trị là m_s = +1/2 (gọi là “spin-UP”, biểu thị bằng một mũi tên hướng lên, ↑) hoặc m_s = -1/2 (gọi là “spin-DOWN”, biểu thị bằng một mũi tên hướng xuống, ↓). Có vô số lý thuyết cho điều này, nhưng mặc kệ nó đi!…; vì mình mà tìm hiểu tiếp thì bí luôn – việc này dành cho các nhà Hóa học cấp cao.

*Đọc hết bài, mình sẽ thấy trong kí hiệu m_s thì …chữ m lấy từ chữ momen, còn chữ s thì đương nhiên – từ chữ spin rồi.

🪅🪆Có điều gì vô lí hay không khi nói electron quay?

*Theo vật lí cổ điển (sử dụng các phương trình Toán học bình thường, chỉ đúng cho vật thể bự), điều này hợp lí: vì ELECTRON LÀ HẠT, giống quả bóng bi-a, nên… quay quanh trục của nó là có lí. Nhưng theo vật lý hiện đại (khi con người dùng Toán lượng tử – dàng riêng cho thế giới các hạt vật chất vô cùng bé nhỏ, toán này thì… eo ôi ghê lắm!), người ta phát hiện ra ELECTRON LÀ SÓNG, chúng chuyển động với tốc độ phi thường – tạo thành hình dạng “đám mây electron” (người ta nói electron thể hiện lưỡng tính sóng và hạt) ; vì lý do này, chúng không thể quay tròn như các vật thể thông thường.

*Hãy xem các cánh quạt máy bay khi quay, chúng tạo thành hình dạng như “đám mây” khiến chúng ta không phân biệt được từng cánh quạt riêng biệt. Ví dụ khá gượng ép… nhưng để dễ hiểu khi nói: cánh quạt máy bay thể hiện lưỡng tính sóng – hạt!.

🧸🦀Vậy nói electron quay (spin) là sao?

*Electron không quay như các vật thể mà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày. Chúng hoạt động khác với những thứ quay. Con người không thể quan sát thấy trực tiếp electron quay; nhưng họ đo được một thứ gọi là Momen động lượng ⁽***⁾ của electron.

⁽***⁾Momen động lượng: dùng để đo mức độ (giá trị) và phương hướng quay của vật thể so với 1 tâm quay xác định.

*Từ nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, họ đưa ra kết quả như trên; họ cũng đã phải sử dụng Toán lượng tử để giải quyết, do vậy họ nói Momen động lượng được lượng tử hóa – gọi là Spin.

Spin có giá trị nhất định và không phải mọi giá trị đều đúng cho tất cả các hạt. Các nhà khoa học tính toán ra rằng:

• Electron và Quark (những hạt vật chất) có spin +1/2 hoặc – 1/2.
• Photon (hạt ánh sáng) có spin +1 hoặc – 1.
• Boson Higgs có spin bằng 0.

Việc tưởng tượng electron như một vật thể quay là sai lầm. Thay vào đó, các nhà khoa học đã học cách chấp nhận thực tế quan sát được rằng… electron bị lệch hướng bởi từ trường. Tuy nhiên, người ta vẫn dùng thuật ngữ “spin” do có tính lịch sử.

🔍⚗️Thực nghiệm chứng tỏ electron “quay”

*Thí nghiệm Stern và Gerlach là cách quan sát được spin của electron. Năm 1920, Otto Stern và Walter Gerlach thiết kế thí nghiệm táo bạo, họ nung kim loại bạc trong lò cho bốc hơi; dẫn chùm hơi các nguyên tử Ag đi qua từ trường; họ thấy nó bị tách thành hai chùm riêng biệt.

*Vật lý cổ điển nói rằng hạt mang điện tích khi quay sẽ tạo ra từ trường. Vì vậy họ kết luận rằng electron phải quay được. Khi 2 electron có spin đối diện được đặt cạnh nhau, sẽ không có từ trường – vì các spin dương (+1/2) và âm (-1/2) triệt tiêu lẫn nhau. Nguyên tử bạc được sử dụng trong thí nghiệm có tổng cộng 47 electron, 23 loại spin cùng loại và 24 loại spin đối diện. Vì các electron có cùng spin triệt tiêu lẫn nhau, nên một electron không ghép đôi trong nguyên tử sẽ tạo ra từ trường; và vì vậy khi dòng electron đi qua từ trường, chúng sẽ bị tách thành hai chùm tia.

*Hai bộ phim về thí nghiệm của Stern và Gerlach

🤦‍♂️🪴Đọc hết bài sẽ thấy rối thêm; thôi… mình cứ nói đơn giản, SPIN thể hiện một thuộc tính vốn có của electron: khả năng “quay” theo chiều của từ trường hoặc ngược lại; nói đúng hơn, khả năng electron bị lệch khi đi qua từ trường!.

Rất cám ơn câu hỏi của Quoc Chau. Nhờ vậy mà T có dịp tìm hiểu, để biết thêm thế giới vật chất phức tạp ngoài sức tưởng tượng của mình.

🌞Chúc bạn sức khỏe và thành công trong cuộc sống. Còn điều gì cần thì Quoc Chau cứ viết lên đây nha.

Trân trọng,

Toan từ W3chem.com.

🌳🍎🍋🍒🫐🐦🍀🌿🐿

Đọc thêm SPIN của electron tại đây (tài liệu tiếng Anh).

Viết bởi Đỗ Trọng Toan từ W3chem.com

Mình là người tự thực hiện toàn bộ dự án này – bao gồm xây dựng trang web, viết nội dung, tìm tài liệu tham khảo, trả lời câu hỏi bạn gởi về. Vui lòng xem xét QUYÊN GÓP để hỗ trợ W3chem CHỈ BẰNG CÁCH CHIA SẺ BÀI VIẾT NÀY LÊN MẠNG XÃ HỘI; bởi vì trong tương lai, bạn sẽ cho mình nhiều thời gian để làm việc trên W3chem, cũng có nghĩa bạn nhận thêm nhiều nội dung mới nhanh hơn tại đây.😍 🥰 😘

Mình cảm ơn bạn rất nhiều ⤵