Wie denn nun?
Wie ihr seht, ist der Elektronenspin tatsächlich ziemlich merkwürdig. Einerseits verhält sich das Elektron wie ein winziger Kreisel, aber ziemlich viele Aspekte passen in diesem Bild nicht wirklich zusammen. Deswegen steht zum Beispiel bei Wikipedia
Wie oder wodurch der Spin zustande kommt, bleibt in der klassischen Physik unerklärbar. Anschauliche oder semi-klassische Beschreibungen sind daher unvollständig.
Dass der Spin keine echte klassische Entsprechung hat, kann man sich auch auf andere Weise klar machen: Wenn man wissen will, was aus Quanteneffekten wird, wenn man zur klassischen Physik (also zu sehr großen und schweren Systemen) übergeht, dann nimmt man die Formeln der Quantenmechanik und lässt den Wert von ħ immer kleiner werden (der “klassische Grenzfall”), denn wenn ħ Null wäre, gäbe es ja keine Quanteneffekte. Der Elektron-Spin hat aber ja immer den Wert ħ/2. Im klassischen Grenzfall verschwindet er also schlicht und einfach.
Das Bild des sich drehenden Elektrons passt also nur bedingt – einige Aspekte kann man sich damit richtig überlegen, andere aber nicht.
Und die anderen Teilchen?
Bisher habe ich immer von Elektronen gesprochen. Elektronen sind aber nicht die einzigen Elementarteilchen – da gibt es noch Myonen, Neutrinos, Quarks, Gluonen und den ganzen Teilchenzoo. Hier folgt ein kleiner Überblick – falls ihr mit Elementarteilchen nicht ganz so auf du und du steht, ist das nicht weiter schlimm – man muss diese Teilchen nicht alle auswendig kennen.
Unsere Materie besteht ja aus Elektronen und Quarks (wobei sich die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenschließen). Quarks haben – genau wie die Elektronen – einen Spin von ħ/2.
Protonen und Neutronen auch – sie bestehen aus jeweils drei Quarks, von denen zwei ihre Spins entgegengesetzt ausrichten, so dass sie sich aufheben. Netto bleibt also ein Spin von ħ/2 übrig.
Alle Teilchen, die einen solchen halbzahligen Spin haben, nennt man Fermionen. Bei den echt elementaren Teilchen im Bild sind das die zwölf auf der linken Seite. Der Spin kann bei zusammengesetzten Teilchen auch größer als ħ/2 sein – man kann zum Beispiel drei Quarks auch so zusammensetzen, dass alle Spins gleichgerichtet sind, dann hat man in der Summe einen Spin von 3ħ/2. Weil das keine ganze Zahl ist, sondern eben Ein-Einhalb, gilt auch das als halbzahliger Spin, auch ein solches Teilchen ist ein Fermion.
Es gibt aber auch Teilchen mit ganzzahligem Spin: 0ħ (also gar kein Spin), 1ħ, 2ħ und so weiter. Solche Teilchen heißen Bosonen.
Zu ihnen gehören die Photonen, also die guten alten Lichteilchen – sie haben einen Spin von 1ħ (meist lässt man das ħ weg und spricht einfach von Spin-1-Teilchen). Auch Gluonen, die die Anziehung zwischen den Quarks herstellen, und die Vektorbosonen, die für die schwache Kernkraft verantwortlich sind, sind Spin-1-Teilchen.
Das berühmt-berüchtigte Higgs-Teilchen (das in dem Bild oben fehlt) ist unter den echten Elementarteilchen das einzige mit Spin 0 – es gibt aber zusammengesetzte Teilchen (beispielsweise Pionen, die aus einem Quark und einem Antiquark mit entgegengesetztem Spin bestehen), die ebenfalls Spin 0 haben.
Und dann ist da noch das wichtigste der Spin-2-Teilchen: Das Graviton, das Teilchen der Gravitation. Nun ja, bisher ist es nicht nachgewiesen worden, und eine wirklich vernünftige Quantentheorie der Gravitation gibt es auch nicht. Doch was wir über die Gravitation wissen sagt uns folgendes: Wenn es eine Quantentheorie der Gravitation gibt, die ähnlich wie die Theorie für die anderen Kräfte (Elektromagnetismus, starke und schwache Kernkraft) funktioniert, dann muss es in dieser Theorie ein Spin-2-Teilchen geben, das die Gravitation vermittelt. (Dazu demnächst vermutlich mehr in der Quantenfeldtheorie-Serie.)
Soweit der kurze Überblick über die wichtigsten Elementarteilchen. Wie ihr seht, werden die Teilchen in zwei Gruppen geteilt – die, bei denen der Spin halbzahlig ist (z.B. ħ/2), die Fermionen, und die Bosonen mit ganzzahligem Spin. Und das wirft sofort zwei Fragen auf, die ihr euch jetzt vielleicht stellt:
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