Akademik

СПИН

СПИН: (от англ. spin — вращаться, вертеться), собственный момент кол-ва движения элем. ч-ц, имеющий квант. природу и не связанный с перемещением ч-цы как целого. С. называют также собств. момент кол-ва движения ат. ядра (и иногда атома); в этом случае С. определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квант. механике) С. элем. ч-ц, образующих систему, и орбит. моментов этих ч-ц, обусловленных их движением внутри системы.

С. измеряется в ед. постоянной Планка ћ и равен Jћ, где J — характерное для каждого сорта ч-ц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положит. число, наз. спиновым квант. числом. Обычно его называют просто С. и говорят о целом или полуцелом С. ч-цы. Напр., С. эл-на, протона, нейтрона, нейтрино, так же как и их античастиц, равен 1/2, С. p- и К-мезонов равен 0, С. фотона равен 1.

Проекция С. на любое фиксиров. направление z в пр-ве может принимать значения -J, -J+1, . . ., +J. Т. о., ч-ца со С. J 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 квант. механике, равен ћ2J(J+1). Со С. ч-цы, обладающей ненулевой массой покоя, связан спиновый магн. момент m=gJћ; коэфф. g наз. магнитомеханическим (или гиромагнитным) отношением.

Концепция С. введена в физику в 1925 амер. учёными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими (на основе анализа спектроскопич. данных), что эл-н можно рассматривать как «вращающийся волчок» (отсюда и термин «С.») с собств. механич. моментом ћ/2 и собственным (спиновым) магн. моментом, равным магнетону Бора mБ=ће/2mс (е и m — заряд и масса эл-на). Т. о., для С. эл-на g=e/mc и с точки зрения классич. электродинамики явл. аномальным: для орбит. движения эл-на и для любого движения классич. системы заряж. ч-ц с данным отношением e/m оно в два раза меньше (г/2 тс).

Учёт С. эл-на позволил В. Паули сформулировать принцип запрета, утверждающий, что в произвольной физ. системе не может быть двух эл-нов, находящихся в одном и том же квант. состоянии (см. ПАУЛИ ПРИНЦИП). Наличие у эл-на С. 1/2 объяснило мультиплетную структуру ат. спектров (см. ТОНКАЯ СТРУКТУРА), особенности расщепления спектр. линий в магн. полях (Зеемана эффект), порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах (а следовательно, и закономерности периодич. системы элементов), ферромагнетизм и мн. др. явления.

Существование у протона С. 1/2 постулировано на основе опытных данных амер. физиком Д. М. Деннисоном. Эксперим. проверка этой гипотезы привела к открытию сверхтонкой структуры ат. уровней энергии.

С. ч-ц однозначно связан с хар-ром статистики, к-рой они подчиняются. Как показал Паули (1940), из квант. теории поля следует, что все ч-цы с целым С. подчиняются Возе — Эйнштейна статистике (явл. бозонами), с полуцелым С.— Ферми — Дирака статистике (явл. фермионами). Для фермионов, напр. эл-нов, справедлив Паули принцип, для бозонов он не имеет силы.

В матем. аппарат нерелятив. квант. механики С. был введён Паули; при этом описание С. носило феноменологич. хар-р. Наличие у эл-на С. и спинового магн. момента непосредственно вытекает из релятив. Дирака уравнения (к-рое для эл-на в эл.-магн. поле в пределе малых скоростей переходит в Паули уравнение для нерелятив. ч-цы со С. 1/2).

Величина С. элем. ч-ц определяет трансформац. св-ва полей, описывающих эти ч-цы. При Лоренца преобразованиях поле, соответствующее ч-це со С. J=0, преобразуется как скаляр (или псевдоскаляр); поле, описывающее ч-цу с J=1/2,— как спинор, а с J=1 — как вектор (или псевдовектор) и т. д.

СПИН

(от англ. spin - вращаться, вертеться) - собственныймомент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природуи не связанный с перемещением частицы как целого. С. наз. также собств. момент кол-ва движения атомного ядра или атома; в этом случае С. определяетсякак векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовоймеханике) С. элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментовэтих 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-роеобычно называют просто С.; в связи с этим говорят о целом или полуцеломС. частицы. Полуцелым С. обладают, напр., электроны, протоны, нейтринои их античастицы. С. p- и К-мезонов равен нулю, С. фотона равен 1.

Проекция С. на любое фиксиров. направление z в пространстве может приниматьзначения -J, -J + 1,..., +J. Т. о., частица со С. J₂ можетнаходиться в 2J + 1 спиновых состояниях (при J = 1/2 - в двух состояниях),что эквивалентно наличию у неё дополнит. внутр. степени свободы. Квадратвектора 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) иС. Гаудсмитом (S. Goudsmit), предложившими (на основе анализа спектроскопич. данных), что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» (отсюдаи термин «С.») с собств. механич. моментом ¹/₂ исобственным (спиновым) магн. моментом, равным магнетону Бора (. и т - заряд и масса электрона). Т. о., для С. электрона гиромагн. отношение ,т. е. с точки зрения классич. электродинамики является аномальным: дляорбитального движения электрона и для любого движения классич. системызаряж. частиц с данным отношением е/т оно в 2 раза меньше ( е/2тс).

Учёт С. электрона позволил В. Паули (W. Pauli) сформулировать принципзапрета, утверждавший, что в произвольной физ. системе не может быть двухэлектронов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии (см. Паули, принцип). Наличие у электрона С., равного 1/2, объяснило мультиплетнуюструктуру атомных спектров ( тонкую структуру), особенности расщепленияспектральных линий в магн. полях ( Зеемана эффект), порядок заполненияэлектронных оболочек в многоэлектронных атомах (а следовательно, и закономерностипериодич. системы элементов), ферромагнетизм и др. явления.

Существование у протона С., равного 1/2, постулировано на основеопытных данных Д. М. Деннисоном (D. М. Dennison, 1927). Эксперим. проверкаэтой гипотезы привела к открытию сверхтонкой структуры уровней энергииатома.

С. частиц однозначно связан с характером статистики, к-рой они подчиняются. Как показал Паули (1940), из квантовой теории поля следует, что все частицыс целым С. подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (являются бозонами),с полуцелым С.- Ферми - Дирака статистике (ф е р м и о н ы). Дляфермионов (напр., электронов) справедлив принцип Паули, для бозонов онне имеет силы.

В матем. аппарат нерелятивистской квантовой механики С. был введён Паули;при этом описание С. носило феноменологич. характер. Наличие у электронаС. и спинового магн. момента непосредственно вытекает из релятивистского Диракауравнения (к-рое для электрона в эл.-магн. поле в пределе малых скоростейпереходит в Паули уравнение для нерелятивистской частицы со С. 1/2).

Величина С. определяет трансформац. свойства полей, описывающих этичастицы. При Лоренца преобразованиях поле, соответствующее частицесо С. J = 0, преобразуется как скаляр (или псевдоскаляр); поле, описывающеечастицу с J = 1/2,- как спинор, с J = 1 - как вектор (или псевдовектор)и т. д.

Лит. см. при ст. Квантовая механика. О. И. Завьялов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.