Спин (от англ. spin - вращаться, вертеться) - собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. С. наз. также собств. момент кол-ва движения атомного ядра или атома; в этом случае С. определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) С. элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.
С. измеряется в единицах
и равен
,
где J - характерное для каждого сорта частиц целое (в т. ч. нулевое)
или полуцелое положит. число - т. н. спиновое квантовое число, к-рое
обычно называют просто С.; в связи с этим говорят о целом или полуцелом
С. частицы. Полуцелым С. обладают, напр., электроны, протоны, нейтрино
и их античастицы. С. p- и К-мезонов равен нулю, С. фотона равен 1.
Проекция С. на любое фиксиров. направление z в пространстве может принимать
значения -J, -J + 1,..., +J. Т.о., частица со С. J2 может
находиться в 2J + 1 спиновых состояниях (при J = 1/2 - в двух состояниях),
что эквивалентно наличию у неё дополнит. внутр. степени свободы. Квадрат
вектора С., согласно квантовой механике, равен
. Со С. частицы, обладающей ненулевой массой покоя, связан спиновый магн.
момент
;
коэф. g наз. магнито-механическим (или гиромагнитным) отношением.
Концепция С. введена в физику в 1925 Дж. Уленбеком (G. Uhlenbeck) и
С. Гаудсмитом (S. Goudsmit), предложившими (на основе анализа спектроскопич.
данных), что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» (отсюда
и термин «С.») с собств. механич. моментом 1/2 и
собственным (спиновым) магн. моментом, равным магнетону Бора
(е и т - заряд и масса электрона). Т. о., для С. электрона гиромагн.
отношение
,
т. е. с точки зрения классич. электродинамики является аномальным: для
орбитального движения электрона и для любого движения классич. системы
заряж. частиц с данным отношением е/т оно в 2 раза меньше (е/2тс).
Учёт С. электрона позволил В. Паули (W. Pauli) сформулировать принцип запрета, утверждавший, что в произвольной физ. системе не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии (см. Паули, принцип). Наличие у электрона С., равного 1/2, объяснило мультиплетную структуру атомных спектров (тонкую структуру), особенности расщепления спектральных линий в магн. полях (Зеемана эффект ),порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах (а следовательно, и закономерности периодич. системы элементов), ферромагнетизм и др. явления.
Существование у протона С., равного 1/2, постулировано на основе опытных данных Д. М. Деннисоном (D. М. Dennison, 1927). Эксперим. проверка этой гипотезы привела к открытию сверхтонкой структуры уровней энергии атома.
С. частиц однозначно связан с характером статистики, к-рой они подчиняются. Как показал Паули (1940), из квантовой теории поля следует, что все частицы с целым С. подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (являются бозонами), с полуцелым С.- Ферми - Дирака статистике (ф е р м и о н ы). Для фермионов (напр., электронов) справедлив принцип Паули, для бозонов он не имеет силы.
В матем. аппарат нерелятивистской квантовой механики С. был введён Паули; при этом описание С. носило феноменологич. характер. Наличие у электрона С. и спинового магн. момента непосредственно вытекает из релятивистского Дирака уравнения (к-рое для электрона в эл--магн. поле в пределе малых скоростей переходит в Паули уравнение для нерелятивистской частицы со С. 1/2).
Величина С. определяет трансформац. свойства полей, описывающих эти частицы. При Лоренца преобразованиях поле, соответствующее частице со С. J = 0, преобразуется как скаляр (или псевдоскаляр); поле, описывающее частицу с J = 1/2,- как спинор, с J = 1 - как вектор (или псевдовектор) и т. д.
О. И. Завьялов
|
|
 |
