Buongiorno, mi interesserebbe sapere perché gli elettroni dell’atomo di idrogeno cambiano secondo tempi regolari senso di rotazione. Grazie mille in anticipo.

 

Come ben sappiamo tutti, l’atomo di idrogeno è il più semplice atomo esistente in natura, dato che è formato da un protone (nucleo) e da un solo elettrone che gli orbita attorno.

Focalizziamo la nostra attenzione sull’elettrone: questo è una particella elementare (leptone) facente parte della famiglia dei fermioni, quindi caratterizzato da un valore di spin semi intero in unità della costante di Planck; è soggetto al principio di esclusione di Pauli e in meccanica quantistica è considerato una Particella Identica.

Purtroppo, nel modo in cui è formulata, la domanda appare molto ambigua, infatti a prima vista ho pensato che il lettore chiedesse come mai gli elettroni cambiano senso di rotazione attorno al nucleo, ma soffermandomi un attimo sono poi arrivato alla conclusione che si parla dello spin, quindi nello stilare la risposta mi soffermerò su entrambi i fenomeni sopra elencati.

Inoltre non si darà nessuna spiegazione matematica particolare, ma solo si considereranno le proprietà dell’elettrone per giustificare o meno i comportamenti della nostra particella elementare preferita.

Per poter dire se un elettrone si stia comportando o meno in una certa maniera (quindi se ruota, trasla o vibra attorno ad una posizione di equilibrio, etc…) è necessario osservarlo, ma secondo i princìpi della Meccanica Quantistica una osservazione minerebbe lo stato della particella stessa falsando le informazioni cercate; quindi già questo basterebbe per poter dire che non esiste modo per vedere propriamente una qualsivoglia particella nel suo stato fondamentale o in qualsiasi altro.

Inoltre, per il principio di indeterminazione di Heisenberg,

Δ(x)*Δ(p)>=/2=h/4πDelta(x)*Delta(p) >= hbar/2 = h/4pi

incertezza sulla posizione x * incertezza sul momento p >= costante di Planck ridotta , assunta come minimo fattore di errore insito in ogni misura di qualsivoglia genere)

non è possibile conoscere con esattezza la posizione di una particella ma le si può solo associare una densità di probabilità data dal modulo quadro della funzione d’onda che la caratterizza (Funzione d’onda -> densità di probabilità)

ψ(x,t)|ψ(x,t)|2ψ(x,t)→|ψ(x,t)|^2

In quanto Particella Identica, in un sistema composto da molti elettroni, nel caso in cui si dovesse constatarne il comportamento, non è possibile distinguere un elettrone dagli altri.

Adesso parliamo dello spin dell’elettrone;
ricordiamo che lo spin (o momento magnetico intrinseco) è una caratteristica intrinseca di ogni particella elementare e, in analogia al caso classico, essa rappresenta il senso di rotazione dell’elettrone sul proprio asse: se ruota in senso orario si avrà spin + (o anche indicato con ↑) mentre se ruota in senso antiorario si avrà spin – (o anche indicato con ↓).

NB.: il fatto che si dice che l'elettrone ruota attorno al proprio asse è solo una pura analogia per poter comprendere come le cose funzionino, in realtà l'elettrone è una particella puntiforme e non si può dire a priori se ha un vero e proprio asse attorno al quale girare.

Quindi, analogamente ai corpi per cui è possibile definire dei gradi di libertà, Goudsmit e Uhlembeck proposero che anche all’elettrone (particella puntiforme) fosse attribuito un momento magnetico intrinseco, dato dalla relazione:

μS=gSe02mecSμ_S = -g_S frac{e_0}{2m_e c} S

dove 

gS-g_S

è un fattore di proporzionalità che dipende dalle distribuzioni di carica e di massa ed S lo spin.

Adesso, può capitare che a causa di forze esterne, lo spin di un elettrone possa cambiare (quindi da + a – o viceversa) e questo può accadere per due fenomeni ben distinti: o a causa della modifica dei livelli energetici dell’atomo in questione a causa di campi elettrici e magnetici non molto forti (rispettivamente effetto Stark ed effetto Zeeman) o a causa di campi magnetici molto intensi (effetto Paschen-Back), ovvero effetto che si verifica a causa della cosiddetta interazione spin-orbita: questo è il fenomeno secondo il quale lo spin di una particella risente del campo magnetico creato da quest’ultima a causa del suo moto orbitale attorno al nucleo dell’atomo a cui appartiene.

Per ulteriori informazioni riguardo l'interazione spin-orbita basterà comunicare con me all'indirizzo: antonio.lastrina@hotmail.it e sarà mia premura scrivere una breve ma esaustiva spiegazione del fenomeno e del principio che lo regola.