Спин
(от
англ.
spin
,
букв.
≪вращение, вращать(-ся)≫) ? собственный
момент импульса
элементарных частиц
, имеющий как
квантовую
, так и
классическую природу
, и тесно связанный с представлениями
группы вращений
и
группы Лоренца
(классические аспекты спина см. в книгах H.C. Corben, Classical and Quantum Theories of Spinning Particles (Holden-Day, San Francisco, 1968), Alexei Deriglazov, Classical Mechanics (Second Edition, Springer 2017), Пенроуз и Риндлер, Спиноры и пространство-время). 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
ħ
[1]
(приведённой
постоянной Планка
, или
постоянной Дирака
) и равен
ħ
J
,
где
J
? характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или
полуцелое
положительное число ? так называемое
спиновое квантовое число
(оно есть число, характеризующее представления группы вращений и группы Лоренца, то есть сколько в нём собственно квантовости и сколько неквантовости, сейчас неизвестно), которое обычно называют просто спином (одно из
квантовых чисел
). Спин свободной частицы измерить нельзя, так как для измерения требуется
[
источник не указан 965 дней
]
внешнее магнитное поле, а оно делает частицу несвободной.
В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы. Полуцелый спин фундаментальнее, так как "из него" можно построить целый спин, но обратное невозможно (см. книгу Пенроуза и Риндлера).
Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантово-механического явления, не имеющего аналогии в классической механике:
обменного взаимодействия
.
Вектор спина является единственной величиной, характеризующей ориентацию частицы в квантовой механике
[2]
. Из этого положения следует, что: при нулевом спине у частицы не может существовать никаких векторных и тензорных характеристик; векторные свойства частиц могут описываться только
аксиальными векторами
; частицы могут иметь
магнитные дипольные моменты
и не могут иметь
электрических дипольных моментов
; частицы могут иметь
электрический квадрупольный момент
и не могут иметь
магнитный квадрупольный момент
; отличный от нуля квадрупольный момент возможен лишь у частиц при спине, не меньшем единицы
[3]
.
Спиновый момент электрона или другой элементарной частицы, однозначно отделённый от
орбитального момента
, никогда не может быть определён посредством опытов, к которым применимо классическое понятие траектории частицы
[4]
.
Число компонент волновой функции, описывающей элементарную частицу в квантовой механике, растёт с ростом спина элементарной частицы. Элементарные частицы со спином
описываются однокомпонентной волновой функцией (скаляр), со спином
описываются двухкомпонентной волновой функцией (
спинор
), со спином
описываются трёхкомпонентной волновой функцией (вектор), со спином
описываются пятикомпонентной волновой функцией (
тензор
)
[5]
.
Хотя термин ≪спин≫ относится только к квантовым свойствам частиц, свойства некоторых циклически действующих макроскопических систем тоже могут быть описаны неким числом, которое показывает, на сколько частей нужно разделить цикл вращения некоего элемента системы, чтобы она вернулась в состояние, неотличимое от начального.
Легко представить себе
спин, равный 0
: это точка ? она
со всех сторон выглядит одинаково
, как её ни крути.
Примером
спина, равного 1
, может служить большинство обычных предметов без какой-либо симметрии: если такой предмет повернуть на 360°, то этот предмет вернётся в своё первоначальное состояние. Для примера ? можно положить ручку на стол, и после поворота на 360° ручка опять будет лежать так же, как и до поворота.
В качестве примера
спина, равного 2
, можно взять любой предмет с одной осью центральной симметрии: если его повернуть на 180°, он будет неотличим от исходного положения, и получается, что за один полный оборот он становится неотличим от исходного положения 2 раза. Примером из жизни может служить обычный карандаш, только заточённый с двух сторон или не заточённый вообще ? главное чтобы был без надписей и однотонный ? и тогда после поворота на 180° он вернётся в положение, неотличимое от исходного.
Хокинг
в качестве примера приводил обычную игральную карту типа короля или дамы
[6]
А вот с полуцелым
спином, равным
1
/
2
немножко сложнее: в исходное положение система возвращается после 2 полных оборотов, то есть после поворота на 720°. Примеры:
- Если взять
ленту Мёбиуса
и представить, что по ней ползёт муравей, тогда, сделав один оборот (пройдя 360°), муравей окажется в той же точке, но с другой стороны листа, а чтобы вернуться в точку, откуда он начал, придётся пройти все 720°.
- Четырёхтактный двигатель
внутреннего сгорания. При повороте коленчатого вала на 360° поршень вернётся в исходное положение (например, верхнюю мёртвую точку), но распределительный вал вращается в 2 раза медленнее и совершит полный оборот при повороте коленчатого вала на 720°. То есть при повороте коленчатого вала на 2 оборота двигатель внутреннего сгорания вернётся в то же состояние. В этом случае третьим измерением будет положение распределительного вала.
На подобных примерах можно проиллюстрировать сложение спинов:
- Два заточенных только с одной стороны одинаковых карандаша (≪спин≫ каждого ? 1), скреплённые боковыми сторонами друг с другом так, что острый конец одного будет рядом с тупым концом другого (↑↓). Такая система вернётся в неотличимое от начального состояния при повороте всего на 180°, то есть ≪спин≫ системы стал равным двум.
- Многоцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (≪спин≫ каждого из цилиндров которого равен 1/2). Если все цилиндры работают одинаково, то состояния, при которых поршень находится в начале такта рабочего хода в любом из цилиндров, будут неотличимы. Следовательно, двухцилиндровый двигатель будет возвращаться в состояние, неотличимое от исходного, через каждые 360° (суммарный ≪спин≫ ? 1), четырёхцилиндровый ? через 180° (≪спин≫ ? 2), восьмицилиндровый ? через 90° (≪спин≫ ? 4).
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 ? 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.
В частности, было бы совершенно бессмысленным представлять себе собственный момент элементарной частицы, как результат ее вращения ?вокруг собственной оси“
[7]
Будучи одним из проявлений углового момента, спин в квантовой механике описывается векторным оператором спина
алгебра
компонент которого полностью совпадает с алгеброй операторов орбитального углового момента
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
ħ
).
Спин испытывает квантовые флуктуации. В результате квантовых флуктуаций строго определённое значение может иметь только одна компонента спина ? например,
. При этом компоненты
флуктуируют вокруг среднего значения. Максимально возможное значение компоненты
равно
. В то же время квадрат
всего вектора спина равен
. Таким образом,
. При
среднеквадратические значения всех компонентов из-за флуктуаций равны
[2]
.
Вектор спина меняет своё направление при
преобразовании Лоренца
. Ось этого поворота перпендикулярна импульсу частицы и относительной скорости систем отсчёта
[8]
.
Ниже указаны спины некоторых микрочастиц.
спин
|
общее название частиц
|
примеры
|
0
|
скалярные частицы
|
π
-мезоны
,
K-мезоны
,
хиггсовский бозон
, атомы и ядра
4
He
, чётно-чётные ядра,
парапозитроний
|
1/2
|
спинорные частицы
|
электрон
,
кварки
,
мюон
,
тау-лептон
,
нейтрино
,
протон
,
нейтрон
,
атомы
и
ядра
3
He
|
1
|
векторные частицы
|
фотон
,
глюон
,
W- и Z-бозоны
,
векторные мезоны
,
ортопозитроний
|
3/2
|
спин-векторные частицы
|
Ω-гиперон
,
Δ-резонансы
|
2
|
тензорные частицы
|
гравитон
, тензорные мезоны
|
На июль 2004 года максимальным спином среди известных барионов обладал барионный резонанс Δ(2950) со спином
. Среди долгоживущих изотопов химических элементов
[2]
максимальным спином обладает
изотоп висмута
209
Bi
, его спин составляет
. Некоторые короткоживущие
изотопы
и особенно
изомеры
могут иметь очень высокий спин, например у
изотопа таллия
205m2
Tl
спин
, а
изотоп полония
211m3
Po
имеет спин
.
В
1922 году
опыт Штерна ? Герлаха
подтвердил наличие у
атомов
спина и факт пространственного квантования направления их
магнитных моментов
.
Сам термин ≪спин≫ в науку ввели
С. Гаудсмит
и
Д. Уленбек
в 1925 г.
[9]
[10]
.
В
1924 году
, ещё до точной формулировки квантовой механики,
Вольфганг Паули
ввёл новую, двухкомпонентную внутреннюю степень свободы для описания валентного электрона в
щелочных металлах
. В
1927 году
он же модифицировал 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
? ≪вектором≫ в абстрактном (то есть не связанном прямо с обычным) двумерном
спиновом пространстве
.
В
1928 году
Поль Дирак
построил релятивистскую теорию спина и ввёл уже четырёхкомпонентную величину ?
биспинор
.
Математически теория спина оказалась очень продуктивной, и в дальнейшем по аналогии с ней была построена теория
изоспина
.
Орбитальный магнитный момент электрона внутри атома кратен
магнетону Бора
. Но помимо орбитального момента количества движения
, обусловленного движением вокруг атомного ядра, электрон обладает собственным механическим моментом ? спином
(в единицах
ħ
), а также спиновым магнитным моментом (который по факту не кратен магнетону Бора). Спиновый магнитный момент
, где
?
g-фактор
электрона, равный для электрона по данным экспериментов ~2,00231930436153.
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 ?1) относительно
перестановки местами двух любых частиц
. В первом случае говорят, что частицы подчиняются
статистике Бозе ? Эйнштейна
и называются
бозонами
. Во втором случае частицы описываются
статистикой Ферми ? 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, …) являются бозонами, а частицы с полуцелым спином (
s
= 1/2, 3/2, …) ? фермионами
[1]
.
Введение спина является 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
≫ ? более сложный аналог спина.
Понятие спина было введено в квантовой теории.
Тем не менее, в
релятивистской механике
можно определить спин классической (не квантовой)
системы как собственный момент импульса
[11]
.
Классический спин является
4-вектором
и определяется следующим образом:
где
- ? тензор полного момента импульса системы (суммирование проводится по всем частицам системы);
- ? суммарная
4-скорость
системы, определяемая при помощи суммарного
4-импульса
и массы
M
системы;
- ?
тензор Леви-Чивиты
.
В силу антисимметрии тензора Леви-Чивиты, 4-вектор спина всегда ортогонален к 4-скорости
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.
- ↑
1
2
Фундаментальные частицы и взаимодействия
(неопр.)
. Дата обращения: 13 июля 2014.
Архивировано
9 мая 2017 года.
- ↑
1
2
3
Широков, 1972
, с. 44.
- ↑
Широков, 1972
, с. 45.
- ↑
Паули, 1947
, с. 279.
- ↑
Ширков, 1980
, с. 147.
- ↑
STEPHEN HAWKING.
A Brief History of Time from the Big Bang to Black Holes. ? Space Time Publications. ? Кэмбридж: Carl Sagan Interior Illustrations, 1998. ? С. 232. ? 232 с. ?
ISBN 978-5-367-00754-1
.
- ↑
Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.
Теоретическая физика. Том. III, Гл. VIII, §54 Спин
- ↑
Широков, 1972
, с. 276.
- ↑
Гаудсмит С.
≪Открытие спина электрона≫
Архивная копия
от 11 октября 2018 на
Wayback Machine
//
УФН
, т. 93, с. 151?158 (1967)
- ↑
Евгений Берклвич.
Эпизоды ≪революции вундеркиндов≫. Эпизод первый. Борн, Паули и спин
(рус.)
//
Наука и жизнь
. ? 2018. ?
№ 10
. ?
С. 48?55
.
Архивировано
11 октября 2018 года.
- ↑
Вейнберг С.
Гравитация и космология. ? M.: Мир, 1975.
- Физическая энциклопедия / Под ред. А. М. Прохорова. ? М.: Большая российская энциклопедия, 1994. ?
ISBN 5-85270-087-8
.
- Richard G. Milner.
A Short History of Spin
(англ.)
// Contribution to the XVth International Workshop on Polarized Sources, Targets, and Polarimetry. ? Charlottesville, Virginia, USA, September 9-13, 2013. ?
arXiv
:
1311.5016
.
- Широков Ю.М.
,
Юдин Н.П.
Ядерная физика. ?
М.
: Наука, 1972. ? 672 с.
- Ширков Д. В.
Физика микромира. ?
М.
: Советская энциклопедия, 1980. ? 527 с.
- Паули В.
Общие принципы волновой механики. ?
М.
: ОГИЗ, 1947. ? 333 с.
- Hipple, J. A.; Sommer, H.; Thomas, H.A. (1949).
"A precise method of determining the faraday by magnetic resonance"
.
Physical Review
.
76
(12): 1877?1878.
Bibcode
:
1949PhRv...76.1877H
.
doi
:
10.1103/PhysRev.76.1877.2
.
- Cohen-Tannoudji, Claude.
Quantum Mechanics / Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloe. ? 2 volume set. ? John Wiley & Sons, 2006. ?
ISBN 978-0-471-56952-7
.
- Condon, E. U.
Especially Chapter 3 // The Theory of Atomic Spectra / E. U. Condon, G. H. Shortley. ? Cambridge University Press, 1935. ?
ISBN 978-0-521-09209-8
.
Ссылки на внешние ресурсы
|
---|
| |
---|
В библиографических каталогах
| |
---|