Спин

У этого термина существуют и другие значения, см. Спин (значения).

Спин (от англ. spin в вертеть[-ся], вращение) в собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.

Спин измеряется в единицах $\hbar$ (приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака) и равен $\hbar J,$ где J в характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число в так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел).

В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы.

Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантовомеханического явления, не имеющего аналогии в классической механике: обменного взаимодействия.

[править] Свойства спина

Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином.

В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин не связан с движением в пространстве. Спин в это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках релятивистской механики. Если представлять частицу (например, электрон) как вращающийся шарик, а спин как момент, связанный с этим вращением, то оказывается, что поперечная скорость движения оболочки частицы должна быть выше скорости света, что недопустимо с позиции релятивизма.

Будучи одним из проявлений углового момента, спин в квантовой механике описывается векторным оператором спина $\hat{\vec{s}},$ алгебра компонент которого полностью совпадает с алгеброй операторов орбитального углового момента $\hat{\vec{\ell}}.$ Однако, в отличие от орбитального углового момента, оператор спина не выражается через классические переменные, иными словами, это только квантовая величина. Следствием этого является тот факт, что спин (и его проекции на какую-либо ось) может принимать не только целые, но и полуцелые значения (в единицах постоянной Дирака $\hbar$ ).

[править] Примеры

Ниже указаны спины некоторых микрочастиц.

спин	общее название частиц	примеры
0	скалярные частицы	π-мезоны, K-мезоны, хиггсовский бозон, атомы и ядра ⁴He, чётно-чётные ядра, парапозитроний
1/2	спинорные частицы	электрон, кварки, мюон, тау-лептон, нейтрино, протон, нейтрон, атомы и ядра ³He
1	векторные частицы	фотон, глюон, W- и Z-бозоны, векторные мезоны, ортопозитроний
3/2	спин-векторные частицы	Δ-изобары
2	тензорные частицы	гравитон, тензорные мезоны

На июль 2004 года, максимальным спином среди известных элементарных частиц обладает барионный резонанс Δ(2950) со спином 15/2. Спин ядер может превышать 20 $\hbar.$

[править] История

В 1921 году опыт Штерна в Герлаха подтвердил наличие у атомов спина и факт пространственного квантования направления их магнитных моментов.

В 1924 году, ещё до точной формулировки квантовой механики, Вольфганг Паули вводит новую, двухкомпонентную внутреннюю степень свободы для описания валентного электрона в щелочных металлах. В 1927 году он же модифицирует недавно открытое уравнение Шрёдингера для учёта спиновой переменной. Модифицированное таким образом уравнение носит сейчас название уравнение Паули. При таком описании у электрона появляется новая спиновая часть волновой функции, которая описывается спинором в «вектором» в абстрактном (то есть не связанном прямо с обычным) двумерном спиновом пространстве.

В 1928 году Поль Дирак строит релятивистскую теорию спина и вводит уже четырёхкомпонентную величину в биспинор.

Математически теория спина оказалась очень прозрачной, и в дальнейшем по аналогии с ней была построена теория изоспина.

[править] Спин и магнитный момент

Несмотря на то, что спин не связан с реальным вращением частицы, он тем не менее порождает определённый магнитный момент, а значит, приводит к дополнительному (по сравнению с классической электродинамикой) взаимодействию с магнитным полем. Отношение величины магнитного момента к величине спина называется гиромагнитным отношением, и, в отличие от орбитального углового момента, оно не равно магнетону ( $\! \mu_0$ ):

$\hat{\vec{\mu}} = g\cdot \mu_0 \hat{\vec{s}}.$

Введённый здесь множитель g называется g-фактором частицы; значения этого g-фактора для различных элементарных частиц активно исследуются в физике элементарных частиц.

[править] Спин и статистика

Вследствие того, что все элементарные частицы одного и того же сорта тождественны, волновая функция системы из нескольких одинаковых частиц должна быть либо симметричной (то есть не изменяется), либо антисимметричной (домножается на в1) относительно перестановки местами двух любых частиц. В первом случае говорят, что частицы подчиняются статистике Бозе в Эйнштейна и называются бозонами. Во втором случае частицы описываются статистикой Ферми в Дирака и называются фермионами.

Оказывается, именно значение спина частицы говорит о том, каковы будут эти симметрийные свойства. Сформулированная Вольфгангом Паули в 1940 году теорема о связи спина со статистикой утверждает, что частицы с целым спином (s = 0, 1, 2, в) являются бозонами, а частицы с полуцелым спином (s = 1/2, 3/2, в) в фермионами.

[править] Обобщение спина

Введение спина явилось удачным применением новой физической идеи: постулирование того, что существует пространство состояний, никак не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве. Обобщение этой идеи в ядерной физике привело к понятию изотопического спина, который действует в особом изоспиновом пространстве. В дальнейшем, при описании сильных взаимодействий были введены внутреннее цветовое пространство и квантовое число «цвет» в более сложный аналог спина.

[править] Спин классических систем

Понятие спина было введено в квантовой теории. Тем не менее, в релятивистской механике можно определить спин классической (не квантовой) системы как собственный момент импульса ^[1]. Классический спин является 4-вектором и определяется следующим образом:

$S_\nu = \frac{1}{2}\,\varepsilon_{\nu\alpha\beta\gamma}\,L^{\alpha\beta}\,U^\gamma,$

где

$L^{\alpha\beta}=\sum (x^\alpha p^\beta-x^\beta p^\alpha)$ в тензор полного момента импульса системы (суммирование проводится по всем частицам системы);
$U^{\alpha}=P^\alpha/M$ в суммарная 4-скорость системы, определяемая при помощи суммарного 4-импульса $P^\alpha=\sum p^\alpha$ и массы M системы;
$\varepsilon_{\nu\alpha\beta\gamma}$ в тензор Леви-Чивиты.

В силу антисимметрии тензора Леви-Чивиты, 4-вектор спина всегда ортогонален к 4-скорости $U^{\alpha}.$ В системе отсчёта, в которой суммарный импульс системы равен нулю, пространственные компоненты спина совпадают с вектором момента импульса, а временная компонента равна нулю.

Именно поэтому спин называют собственным моментом импульса.

В квантовой теории поля это определение спина сохраняется. В качестве момента импульса и суммарного импульса выступают интегралы движения соответствующего поля. В результате процедуры вторичного квантования 4-вектор спина становится оператором с дискретными собственными значениями.

[править] Литература

Физическая энциклопедия. Под ред. А. М. Прохорова. в М.: «Большая российская энциклопедия», 1994. в ISBN 5-85270-087-8.

[править] Статьи

Физики разделили электроны на две квазичастицы. Группа ученых из Кембриджского и Бирмингемского университетов зафиксировала явление разделения спина (спинон) и заряда (холон) в сверхтонких проводниках.

Физики разделили электроны на спинон и орбитон. Группа ученых из немецкого Института конденсированного состояния и материалов (IFW) добилась разделения электрона на орбитон и спинон.

[править] Примечания

в‘ Вейнберг С. Гравитация и космология. в M.: Мир, 1975.

[править] См. также

[0] в‘ Вейнберг С. Гравитация и космология. в M.: Мир, 1975.

[1]

Спин

Содержание

[править] Свойства спина

[править] Примеры

[править] История

[править] Спин и магнитный момент

[править] Спин и статистика

[править] Обобщение спина

[править] Спин классических систем

[править] Литература

[править] Статьи

[править] Примечания

[править] См. также

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках