СПИН
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
СПИН (от англ. spin – вращаться), собственный момент количества движения (момент импульса) $\boldsymbol S$ элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. С. называют также собств. момент количества движения атомного ядра или атома; в этом случае С. определяется как векторная сумма С. элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.
С. – вектор, его длина выражается в единицах постоянной Планка $\hbar$ и равна $s\hbar$, где $s$ – характерное для каждого сорта частиц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положительное число – спиновое квантовое число, которое обычно называют просто С. и говорят о целом или полуцелом С. частицы. Полуцелым С. обладают, напр., электроны, протоны, нейтрино и их античастицы. С. $π$- и $K$-мезонов равен 0, С. фотона равен 1.
Проекция С. на любое фиксированное направление в пространстве может принимать значения $–s$, $–s+1$, $...$, $s$. Т. о., частица со С. $s$ может находиться в $2s+1$ спиновых состояниях (при $s=1/2$ – в двух состояниях), что эквивалентно наличию у неё дополнит. внутр. степени свободы. Квадрат вектора С., согласно квантовой механике, равен $\hbar s(s+1)$. С. частицы, обладающей ненулевой массой покоя, связан со спиновым магнитным моментом $μ=γs\hbar$, где $γ$ – магнитомеханич. (гиромагнитное) отношение.
Понятие «С.» введено в физику в 1925 Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими (на основе анализа спектроскопич. данных), что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» с собств. механич. моментом $1/2$ и собств. (спиновым) магнитным моментом, равным магнетону Бора $μ_Б=\hbar e/(2mc)$ ($e$ и $m$ – электрич. заряд и масса электрона, $c$ – скорость света).
Учитывая С. электрона, В. Паули сформулировал принцип запрета, утверждающий, что в произвольной физич. системе не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии (Паули принцип). Наличие у электрона С., равного 1/2, объяснило тонкую структуру спектров, особенности расщепления спектральных линий в магнитных полях (Зеемана эффект), порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах (а следовательно, и закономерности периодич. системы химич. элементов), ферромагнетизм и др. явления.
Существование у протона С. $s=1/2$ было постулировано на основе опытных данных. Эксперим. проверка этой гипотезы привела к открытию сверхтонкой структуры уровней энергии. С. частиц однозначно связан с характером статистики, которой они подчиняются. Все частицы с целым С. подчиняются Бозе – Эйнштейна статистике (бозоны), с полуцелым С. – Ферми – Дирака статистике (фермионы). Для фермионов (напр., электронов) справедлив принцип Паули, для бозонов он не имеет силы.
Величина С. определяет трансформационные свойства полей, описывающих эти частицы. При преобразованиях Лоренца поле, соответствующее частице с $s=0$, преобразуется как скаляр (или псевдоскаляр); поле, описывающее частицу с $s=1/2$, – как спинор, с $s=1$ – как вектор (или псевдовектор).