Спин в физике простыми словами. Что такое спин электрона на самом деле

© Мученик Науки.

Приняты следующие обозначения:
- Векторы – жирными буквами чуть большего размера чем остальной текст. W , g , A .
- пояснения к обозначениям в таблицах – курсивом.
- целочисленные индексы – жирным шрифтом обычного размера. m , i , j .
- не векторные переменные величины и формулы – курсивом чуть более крупного размера: q , r , k , sin , cos .

Момент импульса. Школьный уровень.

Момент импульса характеризует количество вращательного движения. Это величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.
Момент импульса вращающейся вокруг оси Z гантельки из двух шариков массы m , каждый из которых расположен на расстоянии l от оси вращения, с линейной скоростью шариков V , равен:

M= 2·m·l·V ;

Ну понятно, в формуле стоит 2 потому что у гантельки два шарика.

Момент импульса. Университетский уровень.

Момент импульса L материальной точки (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения ) относительно некоторого начала отсчёта определяется векторным произведением её радиус-вектора и импульса:

L = [ r х p ]

где r - радиус-вектор частицы относительно выбранного неподвижного в данной системе отсчёта начала отсчёта, p - импульс частицы.
Для нескольких частиц момент импульса определяется как (векторная) сумма таких членов:

L = Σ i [ r i х p i ]

где r i , p i - радиус-вектор и импульс каждой частицы, входящей в систему, момент импульса которой определяется.
В пределе количество частиц может быть бесконечным, например, в случае твердого тела с непрерывно распределенной массой или вообще распределённой сиситемы это может быть записано как

L = ∫ r xd p

где d p - импульс бесконечно малого точечного элемента системы.
Из определения момента импульса следует его аддитивность как для системы частиц в частности, так и для системы, состоящей из нескольких подсистем, выполняется:

L Σ = Σ i L i

Опыт Штерна и Герлаха.

В 1922 году физики проделали эксперимент, в котором оказалось, что атомы серебра имеют свой момент импульса. Причём проекция этого момента импульса на ось Z (см.рис) оказалась равной либо некоторой положительной величине, либо некоторой отрицательной величине, но не нулю. Это невозможно объяснить орбитальным моментом импульса электронов в атоме серебра. Потому что орбитальные моменты обязательно давали бы, в том числе, и нулевую проекцию. А здесь строго плюс и минус, и в нуле ничего. Впоследствии, в 1927 г. это было интерпретировано как доказательство существования спина у электронов.
В опыте Штерна и Герлаха (1922) путем испарения в вакуумной печи атомов серебра или другого металла с помощью тонких щелей формируется узкий атомный пучок (рис).

Этот пучок пропускается через неоднородное магнитное поле с существенным градиентом магнитной индукции. Индукция магнитного поля B в опыте велика и направлена вдоль оси Z . На пролетающие в зазоре магнита атомы вдоль направления магнитного поля действует сила F z , обусловленная градиентом индукции неоднородного магнитного поля и зависящая от величины проекции магнитного момента атома на направление поля. Эта сила отклоняет движущийся атом в направлении оси Z , причем за время пролета магнита движущийся атом отклоняется тем больше, чем больше величина силы. При этом одни атомы отклоняются вверх, а другие вниз.
С позиций классической физики, пролетевшие через магнит атомы серебра должны были образовать сплошную широкую зеркальную полосу на стеклянной пластинке.
Если же, как предсказывает квантовая теория, имеет место пространственное квантование, и проекция магнитного момента p Z M атома принимает только определенные дискретные значения, то под действием силы F Z атомный пучок должен расщепиться на дискретное число пучков, которые, оседая на стеклянной пластинке, дают серию узких дискретных зеркальных полосок из напыленных атомов. Именно этот результат наблюдался в эксперименте. С одним лишь но: не было полоски по самому центру пластинки.
Но это ещё не было открытием спина у электронов. Ну дискретный ряд моментов импульса у атомов серебра, ну и что? Однако учёные продолжали думать, почему нет полоски по центру пластины?
Пучок невозбужденных атомов серебра расщепился на два пучка, которые напылили на стеклянной пластинке две узкие зеркальные полоски, сдвинутые симметрично вверх и вниз. Измерение этих сдвигов позволило определить магнитный момент невозбужденного атома серебра. Его проекция на направление магнитного поля оказалась равной + μ Б или -μ Б . То есть магнитный момент невозбуждённого атома серебра оказался строго не равным нулю. Это не имело объяснения.
Однако, из химии было известно, что валентность серебра равна +1 . То есть на внешней электронной оболочке находится один активный электрон. А общее число электронов в атоме нечётно.

Гипотеза о спине электрона

Это противоречие теории и опыта стало не единственным, обнаруженным в различных экспериментах. Такое же отличие наблюдалось при изучении тонкой структуры оптических спектров щелочных металлов (они, кстати, тоже одновалентны). В опытах с ферромагнетиками было обнаружено аномальное значение гиромагнитного отношения, отличающегося от ожидаемого значения в два раза.
В 1924 г. Вольфганг Паули ввёл двухкомпонентную внутреннюю степень свободы для описания эмиссионных спектров валентного электрона в щелочных металлах.
В который раз обращает на себя внимание, как западные учёные с лёгкостью придумывают новые частицы, феномены, реальности для объяснения старых. Точно так же введён и бозон Хиггса для объяснения массы. Далее будет бозон Шмиггса для объяснения бозона Хиггса.
В 1927 году Паули 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 — «вектором» в абстрактном двумерном спиновом пространстве.
Это позволило ему сформулировать принцип Паули, согласно которому в некоторой системе взаимодействующих частиц у каждого электрона должен быть свой собственный неповторяющийся набор квантовых чисел (все электроны в каждый момент времени находятся в разных состояниях). Поскольку физическая интерпретация спина у электрона была неясна с самого начала (и это имеет место до сих пор), в 1925 г. Ральф Крониг (ассистент известного физика Альфреда Ланде) высказал предположение о спине как результате собственного вращения электрона.
Все эти трудности квантовой теории были преодолены, когда осенью 1925 г. Дж. Уленбек и С. Гаудсмит постулировали, что электрон является носителем "собственных" механического и магнитного моментов, не связанных с движением электрона в пространстве. То есть обладает спином S = ½ ћ в единицах постоянной Дирака ћ , и спиновым магнитным моментом, равным магнетону Бора. Это предположение и было принято научным сообществом, поскольку удовлетворительно объясняло известные факты.
Эта гипотеза получила название гипотезы о спине электрона. Такое название связано с английским словом spin , которое переводится как "кружение", "верчение".
В 1928 г. П.Дирак ещё сильнее обобщил квантовую теорию на случай релятивистского движения частицы и вводит уже четырёхкомпонентную величину — биспинор.
В основе релятивистской квантовой механики лежит уравнение Дирака, записанное первоначально для релятивистского электрона. Это уравнение значительно сложнее уравнения Шредингера по своей структуре и математическому аппарату, используемому при его записи. Мы не станем обсуждать это уравнение. Скажем лишь, что из уравнения Дирака четвертое, спиновое квантовое число получается так же «естественно», как и три квантовых числа при решении уравнения Шредингера.
В квантовой механике квантовые числа для спина не совпадают с квантовыми числами для орбитального момента частиц, что приводит к неклассической трактовке спина. Кроме этого, у спина и орбитального момента частиц возникает различная связь с соответствующими магнитными дипольными моментами, сопровождающими любое вращение заряженных частиц. В частности, в формуле для спина и его магнитного момента гиромагнитное отношение не равно 1 .
Концепция спина у электрона привлекается для объяснения многих явлений, таких как расположение атомов в периодической системе химических элементов, тонкая структура атомных спектров, эффект Зеемана, ферромагнетизм, а также для обоснования принципа Паули. Недавно возникшая область исследований, называемая «спинтроника», занимается манипуляциями спинов зарядов в полупроводниковых устройствах. В ядерном магнитном резонансе используется взаимодействие радиоволн со спинами ядер, позволяющее осуществлять спектроскопию химических элементов и получать изображения внутренних органов в медицинской практике. Для фотонов как частиц света спин связывается с поляризацией света.

Механическая модель спина.

В 20-30-х годах прошлого столетия было проведено множество экспериментов, которые доказали наличие спина у элементарных частиц. Эксперименты доказали реальность спина как именно момента вращения. Но откуда берётся это вращение в электроне или протоне?

Предположим простейшее, что электрон - это малюсенький твердый шарик. Предполагаем, что этот шарик имеет некую среднюю плотность и некие физические параметры, близкие к известным экспериментальным и теоретическим величинам реального электрона. Имеем экспериментальные величины:
Масса покоя электрона: m e
Спин электрона S e = ½ ћ
В качестве линейного размера объекта берем его комптоновскую длину волны, подтвержденную как экспериментально, так и теоретически. Комптоновскую длина волны электрона:

Очевидно, это диаметр объекта. Радиус в 2 раза меньше:

Имеем теоретические величины, получаемые из механики и квантовой физики.
1) Вычисляем момент инерции объекта I e . Поскольку мы не знаем достоверно его формы, то вводим поправочный коэффициенты k e , который, в зависимости от формы, теоретически может иметь величину от почти 0,0 (иголка, вращающаяся вокруг длинной оси) до 1,0 (при точной форме длинной гантельки как на рисунке в начале статьи или широкого, но тонкого бублика). К примеру, значение 0,4 достигается при точной форме шара. Итак:

2) Из формулы S = I · ω , находим угловую скорость вращения объектов:

3) Этой угловой скорости соответствует линейная скорость V "поверхности" электрона:

Или

V = 0,4 c ;

Если брать как на рисунке в начале статьи электрон имеющим вид гантельки, то получается

V = 0,16 c ;

4) Совершенно аналогично проделываем выкладки для протона или нейтрона. Линейная скорость "поверхности" протона или нейтрона для шариковой модели получается точно такая же, 0,4 c :

5) Делаем выводы. Результат зависит от формы объекта (коэффициент k при вычислении момента инерции) и от коэффициентов в формулах для спинов электрона или протона (½). Но, как ни крути, а в среднем получается около, близко к скорости света . Как у электрона, так и у протона. Не больше скорости света! Результат, который трудно назвать случайным. Мы делали "бессмысленные" выкладки, но получили абсолютно осмысленный, выделенный результат!

Все не так, ребята! - говорил Владимир Высоцкий. Это не сигнал, это дилемма: либо - либо! Либо что-то пополам, либо что-то вдребезги. Эйнштейн и Шрёдингер лишают смысла эти рассуждения, так как по Эйнштейну при скоростях порядка скорости света масса растет до бесконечности, а по Шрёдингеру они не имеют ни формы, ни размеров. Однако все на свете "относительно" и неизвестно, что чего и кто кого лишает смысла. Теория Гукуума имеет ответ, по которому волновые вихри – электроны, в Гукууме как раз и крутятся со световой линейной скоростью! Собственно масса - она всегда движется и всегда исключительно со световой скоростью. Электрон и протон, каждый элемент в них, каждая точка движется по своей замкнутой траектории и не иначе как со скоростью света. Именно в этом и состоит настоящий и простой смысл формулы:

Это практически удвоенная формула кинетической энергии волны. Почему удвоенная? – Потому что в упругой волне половина энергии кинетическая, а вторая половина энергии – скрытая, потенциальная, в виде деформации среды, в которой происходит распространение волны.

Фразы, объясняющие спин электрона.

Какова же таки физическая природа наличия у электрона спина, если она не объяснима с механической точки зрения? Ответа на этот вопрос нет не только к классической физике, но и рамках нерелятивистской квантовой механики, в основе которой лежит уравнение Шредингера. Спин вносится в виде некой дополнительной гипотезы, необходимой для согласования эксперимента и теории.

Рассуждения о форме или внутреннем устройстве элементарных частиц, например электрона, в современной физике легко относятся к "не имеющим смысла". Раз их глазами не видно, значит нечего и спрашивать! Микробы появились на свет с изобретением микроскопа (Михаил Генин). Попытки таких рассуждений всегда заканчиваются словами, что,

Фраза №1.
Законы и понятия классической физики перестают действовать в микромире.
Если само местонахождение объекта неизвестно, это Ψ -функция, то что говорить об его устройстве? Размазан - и всё тут. Нет никакого устройства.
То же самое говорится и о физическом смысле момента импульса - спина электрона (протона). Вращение как бы есть, спин тоже есть, но

Фраза №2.
Спрашивать как выглядит это вращение - "не имеет смысла".
Есть аналогии и в макро - мире. Допустим, мы хотим спросить олигарха: а как вы заработали свои миллиарды? Или, где вы храните наворованное? - А вам отвечают: ваш вопрос не имеет смысла! Тайна за семью печатями.

Фраза №3.
Спин электрона не имеет классического аналога.
То есть спин как бы имеет какой-то аналог, но вот классического аналога он не имеет. Он как бы характеризует внутреннее свойство квантовой частицы, связанное с наличием у нее дополнительной степени свободы. Количественная характеристика этой степени свободы - спин S = ½ ћ является для электрона такой же величиной как, например, его масса m 0 и заряд - e . Однако спин – это реально вращение, это момент вращения и проявляется в экспериментах.

Фраза №4.
Спин вносится в виде дополнительной гипотезы, не вытекающей из основных положений теории, но необходимой для согласования эксперимента и теории .

Фраза №5.
Спин является некоторым внутренним свойством, наподобие массы или заряда, требующим особого, пока ещё не известного обоснования .
Другими словами. Спин (от англ. spin — вертеться, вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий «квантовую природу» и не связанный с движением частицы как целого. В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин не связан с любым движением в пространстве. Спин — это якобы внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках механики.

Фраза №6.
Однако, несмотря на всю свою загадочность происхождения, спин является объективно существующей и вполне измеряемой физической величиной.
В то же время, оказывается, что спин (и его проекции на какую-либо ось) могут принимать только целые или полуцелые значения в единицах постоянной Дирака ħ = h /2π . Где h – постоянная Планка. Для тех частиц, которые имеют полуцелые спины, проекция спина не бывает равной нулю.

Фраза №7.
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».
Как говорится, уж молоть так молоть!
В дальнейшем, при описании сильных взаимодействий были введены внутреннее цветовое пространство и квантовое число «цвет» — более сложный аналог спина.
То есть, количество загадок нарастало, но все они решались гипотезой, что существует некое пространство состояний, не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве.

Фраза №8.
Итак, в самых общих словах можно сказать, что собственные механический и магнитный моменты у электрона появляются как следствие релятивистских эффектов в квантовой теории.

Фраза №9.
Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Фраза №10.
Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантовомеханического явления, не имеющего аналогии в классической механике: обменного взаимодействия.

Фраза 11.
Будучи одним из проявлений углового момента, спин в квантовой механике описывается векторным оператором спина ŝ , алгебра компонент которого полностью совпадает с алгеброй операторов орбитального углового момента l . 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.

Фраза 12.
В квантовой механике квантовые числа для спина не совпадают с квантовыми числами для орбитального момента частиц, что приводит к неклассической трактовке спина.
Как говорится, если часто что-то повторять, то этому начинаешь верить. Вот сейчас далдонят, демократия, демократия, власть закона. И люди привыкают, начинают верить.
Также неявно используется перевод с английского слова «спин» – от англ. вращаться. Дескать англичане–то смысл спина знают, просто переводчики никак не могут толково перевести.

Структура электрона.

Как показывает попытка погуглить размер электрона, это тоже для всех физиков такая же загадка как и природа спина электрона. Попробуйте, и вы не найдёте нигде, ни в Википедии, ни в Физической энциклопедии. Выдвигаются самые разные цифры. От долей процента размера протона, до тысяч размеров протона. А без знания размера электрона, а ещё лучше структуры электрона, невозможно понять происхождение его спина.
А вот теперь подойдём к объяснению спина с позиции структурного электрона. С позиции теории упругой вселенной. Вот так выглядит электрон.

Здесь изображены не твёрденькие колечки, не бублики, а волновые кольца. То есть бегающие по кругу волны, такое решение даёт математика. Вертящиеся по кругу со скоростью света , причём (!) соседние кольца движутся в противоположных направлениях. Собственно, этот рисунок есть иллюстрация формулы распределения энергии внутри электрона:

Желающие могут легко проверить эту формулу.
Здесь q – радиальная координата.
Именно это вращение составляющих колец создаёт суммарный ненулевой внутренний момент импульса - спин электрона. В этом - разгадка появления спина, который до сих пор остаётся загадкой в общепринятой науке. Правда, эту загадку на деле никто и не стремится разгадать, но это отдельный вопрос.
Именно это вращение соседних колец в противоположные стороны, во-первых даёт сходимость интеграла по моменту вращения, а во-вторых, создаёт несоответствие между магнитным моментом и спином.
На этом (приблизительном) рисунке показаны только основные, ближайшие кольца, всего их бесконечно много. Весь объект является единым целым, очень устойчивым, никакая часть его не может быть удалена. И это целое - есть элементарная частица, электрон. Это не выдумка, не фантазия, не подгонка. Это, еще раз, строгая математика!
Пусть не пугаются от неожиданности те, кто считает, что в атоме водорода (простейший случай) электрон вращается вокруг ядра. Нет, он не вращается как целое вокруг ядра. Просто электрон – это облако, реальное волновое облако, и таковым он является даже когда одиночный и свободный. Просто ядро атома водорода находится внутри электрона.

Объяснение феномена спина.

А дальше остаётся только вычислить момент импульса данной сложной структуры из волновых бубликов.
Момент импульса электрона определяется следующим образом.
- Есть распределения энергии в электроне. При переходе из слоя в слой направление движения энергии изменяется на противоположное.
Таким образом, правдоподобная общая формула для проекции момента импульса всех частиц M z , имеет вид:

R - ранее определённая величина.

Под знаком интеграла четыре элемента, которые для наглядности выделены в квадратные скобки. Первая квадратная скобка содержит в себе элементы плотности массы электрона (отличие от энергии - c 2 в знаменателе), с учетом "наслоения" бегущей волны саму на себя (r 2 в знаменателе) и также с учетом знака, с которым эта масса войдет в формулу момента импульса (функция sign ). То есть, в зависимости от направления вращения данного элемента. Вторая квадратная скобка - расстояние от оси вращения - оси Z . Третья квадратная скобка - скорость движения элемента массы, скорость света. Четвертая - элемент объема. То есть это момент импульса в классическом его понимании.

Данное уравнение для момента импульса не объявляется точным количественно, хотя и это не исключено. Но корреляционную картину распределения момента импульса оно дает. А как станет видно из окончательных результатов, такое определение момента импульса дает и хорошее количественное значение момента импульса (с точностью до знака).
Полный момент импульса электрона после численного интегрирования:

Где L 1 и L 2 - коэффициенты Ламэ Гукуума (характеристики упругости). Они приводятся на указанном сайте.
Как показывает анализ, данная формула прекрасно вписывается в известные физические результаты. Но анализ её слишком объёмен чтобы выкладывать здесь.

Сравнение теоретических и экспериментальных размеров частиц.

Данная процедура делается вот для чего. В найденные теоретические формулы для связи размеров частиц, их масс и спинов, подставляются их известные экспериментальные спины и массы. После чего вычисляются (полу)теоретические размеры частиц и сравниваются с известными экспериментальными. Так оказалось удобнее.
Вводятся обозначения: локи (0,0), (1,0) и (1,1) – это, соответственно, электрон, нейтрон и протон.

Теоретические величины.

Какое отношение имеют величины, λ 0,0 , λ 1,0 , λ 1,1 к реальным размерам частиц? Если посмотреть на теоретические распределения плотности частиц (или на рисунок электрона), то видно, что они распределены волнообразно, с убыванием. Эффективный радиус каждой частицы, до радиуса, охватывающего основную часть массы (это 3-4 волны плотности) примерно равен:

R 0,0 ≈ 2,5 π единиц q ;

R 1,0 ≈ 2 π единиц q ;

R 1,1 ≈ 2 π единиц q .

Где h - обычная, не перечеркнутая постоянная Планка.
Имеющий глаза да увидит: эффективные теоретические радиусы локов (0,0), (1,0) и (1,1) равны почти в точности половине комптоновской длине волны электрона, нейтрона и протона. То есть, комптоновская длина волны частицы выступает как их диаметр.

Комптоновская длина волны есть линейный размер, а масса частицы характеризует объём частицы, то есть линейный размер в кубе. Как видно, в формуле масса стоит в знаменателе. По этой причине относиться к этой формуле слишком доверительно не стоит. Было бы, на наш взгляд, правильнее за размер частицы брать величину, пропорциональную следующей:

Где K – некоторый коэффициент пропорциональности.
Изначально протон в 12 раз (по размеру) меньше электрона и легко влезает в центральную дырку электрона. А затем при взаимодействии электрона с протоном электрон меняет своё состояние (в поле протона) и раздувается ещё в 40 раз, что не удивительно.

Так устроен атом водорода (жёлтенький протон внутри серого электрона).
Как известно из официальной физики, комптоновский размер электрона (R компт =1,21▪10 -10 см .) примерно в 40 раз меньше чем размер атома водорода (первый боровский радиус равен: R бор =0,53▪10 -8 см .). Это кажущееся противоречие с нашей теорией, которое нуждается в устранении и уточнении. Либо при образовании водорода электрон (как волновое облако) меняет свою форму и растягивается. При этом он обволакивает протон. Либо надо пересмотреть, что же такое боровский радиус и каков его физический смысл. Физику в части размеров частиц надо капитально пересмотреть.

В 1922 году немецкие физики О. Штерн и В. Герлах поставили опыты, целью которых было измерение магнитных моментов P m атомов различных химических элементов. Для химических элементов, образующих первую группу таблицы Менделеева и имеющих один валентный электрон, магнитный момент атома равен магнитному моменту валентного электрона, т.е. одного электрона.

Идея опыта заключалась в измерении силы, действующей на атом в сильно неоднородном магнитном поле. Неоднородность магнитного поля должна быть такова, чтобы она сказывалась на расстояниях порядка размера атома. Только при этом можно было получить силу, действующую на каждый атом в отдельности.

Схема опыта изображена на рис. 7.9. В колбе с вакуумом, 10 –5 мм рт. ст., нагревался серебряный шарик К , до температуры испарения.

Рис. 7.9 Рис. 7.10

Атомы серебра летели с тепловой скоростью около 100 м/с через щелевые диафрагмы В и, проходя резко неоднородное магнитное поле, попадали на фотопластинку А .

Если бы момент импульса атома (и его магнитный момент ) мог принимать произвольные ориентации в пространстве (т.е. в магнитном поле), то можно было ожидать непрерывного распределения попаданий атомов серебра на фотопластинку с большой плотностью попаданий в середине. Но на опыте были получены совершенно неожиданные результаты: на фотопластинке получились две резкие полосы – все атомы отклонялись в магнитном поле двояким образом, соответствующим лишь двум возможным ориентациям магнитного момента (рис. 7.10).

Этим доказывался квантовый характер магнитных моментов электронов . Количественный анализ показал, что проекция магнитного момента электрона равна магнетону Бора :

.

Таким образом, для атомов серебра Штерн и Герлах получили, что проекция магнитного момента атома (электрона) на направление магнитного поля численно равна магнетону Бора .

Напомним, что

.

Опыты Штерна и Герлаха не только подтвердили пространственное квантование моментов импульсов в магнитном поле, но и дали экспериментальное подтверждение тому, что магнитные моменты электронов тоже состоят из некоторого числа «элементарных моментов», т.е. имеют дискретную природу. Единицей измерения магнитных моментов электронов и атомов является магнетон Бора (ħ – единица измерения механического момента импульса).

Кроме того, в этих опытах было обнаружено новое явление. Валентный электрон в основном состоянии атома серебра имеет орбитальное квантовое число l = 0 (s - состояние). Но при l = 0 (проекция момента импульса на направление внешнего поля равна нулю). Возник вопрос, пространственное квантование какого момента импульса обнаружилось в этих опытах и проекция какого магнитного момента равна магнетону Бора.

В 1925 г. студенты Геттингенского университета Гаудсмит и Уленбек предположили существование собственного механического момента импульса у электрона (спина ) и, соответственно, собственного магнитного момента электрона P ms .

Введение понятия спина сразу объяснило ряд затруднений, имевшихся к тому времени в квантовой механике. И в первую очередь – результатов опытов Штерна и Герлаха.

Авторы дали такое толкование спина : электрон – вращающийся волчок . Но тогда следует, что «поверхность» волчка (электрона) должна вращаться с линейной скоростью, равной 300 с , где с – скорость света. От такого толкования спина пришлось отказаться.

В современном представлении – спин , как заряд и масса , есть свойство электрона .

П. Дирак впоследствии показал, что существование спина вытекает из решения релятивистского волнового уравнения Шредингера.

Из общих выводов квантовой механики следует, что спин должен быть квантован : , где s – спиновое квантовое число .

Аналогично, проекция спина на ось z (L sz ) (ось z совпадает с направлением внешнего магнитного поля) должна быть квантована и вектор может иметь (2s + 1) различных ориентаций в магнитном поле.

Из опытов Штерна и Герлаха следует, что таких ориентаций всего две: , а значит s = 1/2, т.е. спиновое квантовое число имеет только одно значение.

Для атомов первой группы, валентный электрон которых находится в s - состоянии (l = 0), момент импульса атома равен спину валентного электрона . Поэтому обнаруженное для таких атомов пространственное квантование момента импульса в магнитном поле является доказательством наличия у спина лишь двух ориентаций во внешнем поле. (Опыты с электронами в p - состоянии подтвердили этот вывод, хотя картина получилась более сложной) (желтая линия натрия – дуплет из-за наличия спина).

Численное значение спина электрона :

По аналогии с пространственным квантованием орбитального момента проекция спина квантуется (аналогично, как , то и ). Проекция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантовой величиной, определяется выражением.

) и равен где J - характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число - 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 .

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 - 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 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 ).

Примеры

Ниже указаны спины некоторых микрочастиц.

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

История

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

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 ():

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

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 −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.

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 » - более сложный аналог спина.

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 . Классический спин является 4-вектором и определяется следующим образом:

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.

См. также

• Преобразование Гольштейна - Примакова

Примечания

Литература

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

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.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Спин" в других словарях:

СПИН - собственный момент импульса элементарной частицы или системы, образованной из этих частиц, напр. атомного ядра. Спин частицы не связан с её движением в пространстве и не может быть объяснён с позиций классической физики он обусловлен квантовой… … Большая политехническая энциклопедия

А; м. [англ. spin вращение] Физ. Собственный момент количества движения элементарной частицы, атомного ядра, присущий им и определяющий их квантовые свойства. * * * спин (англ. spin, буквально вращение), собственный момент количества движения… … Энциклопедический словарь

Спин - Спин. Спиновый момент, присущий, например, протону, можно наглядно представить, связав его с вращательным движением частицы. СПИН (английское spin, буквально вращение), собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (обозначение s), в КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ собственный угловой момент, присущий некоторым ЭЛЕМЕНТАРНЫМ ЧАСТИЦАМ, атомам и ядрам. Спин может рассматриваться как вращение частицы вокруг своей оси. Спин является одним из квантовых чисел, посредством… … Научно-технический энциклопедический словарь

Как в классической, так и в квантовой механике закон сохранения момента возникает как результат изотропии пространства по отношению к замкнутой системе. Уже в этом проявляется связь момента со свойствами симметрии по отношению к вращениям. Но в квантовой механике эта связь становится в особенности глубокой, делаясь по существу основным содержанием понятия о моменте, тем более, что классическое определение момента частицы как произведения теряет здесь свой непосредственный смысл в виду одновременной неизмеримости радиуса-вектора и импульса.

Мы видели в § 28, что задание значений l к определяет угловую зависимость волновой функции частицы, а тем самым - все ее свойства симметрии по отношению к вращениям. В наиболее общем виде формулировка этих свойств сводится к указанию закона преобразования волновых функций при поворотах системы координат.

Неизменной волновая функция системы частиц (с заданными значениями момента L и его проекции М) остается лишь при повороте системы координат вокруг оси . Всякий же поворот, меняющий направление оси , приводит к тому, что проекция момента на ось уже не будет иметь определенного значения. Это значит, что в новых координатных осях волновая функция превратится, вообще говоря, в суперпозицию (линейную комбинацию) функций, отвечающих различным возможным (при заданном L) значениям М. Можно сказать, что при поворотах системы координат функций преобразуются друг через друга. Закон этого преобразования, т. е. коэффициенты суперпозиции (как функции углов поворота координатных осей), полностью определяется заданием значения L. Таким образом, момент приобретает смысл квантового числа, классифицирующего состояния системы по их трансформационным свойствам по отношению к вращениям системы координат.

Этот аспект понятия момента в квантовой механике в особенности существен в связи с тем, что он не связан непосредственно с явной зависимостью волновых функций от углов; закон их преобразования друг через друга может быть сформулирован сам по себе, без ссылки на эту зависимость.

Рассмотрим сложную частицу (скажем, атомное ядро), покоящуюся как целое и находящуюся в определенном внутреннем состоянии. Помимо определенной внутренней энергии она обладает также и определенным по своей величине L моментом, связанным с движением частиц внутри нее; этот момент может еще иметь 2L + 1 различных ориентаций в пространстве. Другими словами, при рассмотрении движения сложной частицы как целого мы должны, наряду с ее координатами, приписывать ей еще и одну дискретную переменную - проекцию ее внутреннего момента на некоторое избранное направление в пространстве.

Но при указанном выше понимании смысла момента становится несущественным вопрос о его происхождении, и мы приходим естественным образом к представлению о «собственном» моменте, который должен быть приписан частице вне зависимости от того, является ли она «сложной» или «элементарной».

Таким образом, в квантовой механике элементарной частице следует приписывать некоторый «собственный» момент, не связанный с ее движением в пространстве. Это свойство элементарных частиц является специфически квантовым (исчезающим при переходе к пределу и поэтому принципиально не допускает классической интерпретации.

Собственный момент частицы называют ее спином, в отличие от момента, связанного с движением частицы в пространстве, о котором говорят как об орбитальном моменте. Речь может идти при этом как об элементарной частице, так и о частице, хотя и составной, но ведущей себя в том или ином рассматриваемом круге явлений как элементарная (например, об атомном ядре). Спин частицы (измеренный, как и орбитальный момент, в единицах й) будем обозначать посредством s.

Для частиц, обладающих спином, описание состояния с помощью волновой функции должно определять не только вероятности ее различных положений в пространстве, но и вероятности различных возможных ориентаций ее спина.

Другими словами, волновая функция должна зависеть не только от трех непрерывных переменных - координат частицы, но и от одной дискретной спиновой переменной, указывающей значение проекции спина на некоторое избранное направление в пространстве (ось ) и пробегающей ограниченное число дискретных значений (которые мы будем обозначать далее буквой ).

Пусть - такая волновая функция. По существу она представляет собой совокупность нескольких различных функций координат, отвечающих различным значениям а; об этих функциях мы будем говорить как о спиновых компонентах волновой функции. При этом интеграл

определяет вероятность частице иметь определенное значение а. Вероятность же частице находиться в элементе Объема имея произвольное значение а, есть

Квантовомеханический оператор спина при применении его к волновой функции действует именно на спиновую переменную . Другими словами, он каким-то образом преобразует друг через друга компоненты волновой функции. Вид этого оператора будет установлен ниже. Но, уже исходя из самых общих соображений, легко убедиться в том, что операторы удовлетворяют таким же условиям коммутации, как и операторы орбитального момента.

Оператор момента в основном совпадает с оператором бесконечно малого поворота. При выводе в § 26 выражения для оператора орбитального момента мы рассматривали результат применения операции поворота к функции координат. В случае спинового момента такой вывод теряет смысл, поскольку оператор спина действует на спиновую переменную, а не на координаты. Поэтому для получения искомых соотношений коммутации мы должны рассматривать операцию бесконечно малого поворота в общем виде, как поворот системы координат. Производя последовательно бесконечно малые повороты вокруг оси х и оси у, а затем вокруг этих же осей в обратном порядке, легко убедиться непосредственным вычислением, что разница между результатами обеих этих операций эквивалентна бесконечно малому повороту вокруг оси (на угол, равный произведению углов поворота вокруг осей х и у). Мы не станем производить здесь этих простых вычислений, в результате которых вновь получаются обычные соотношения коммутации между операторами компонент момента импульса, которые, следовательно, должны иметь место и для операторов спина:

со всеми вытекающими из них физическими следствиями.

Соотношения коммутации (54,1) дают возможность определить возможные значения абсолютной величины и компонент спина. Весь вывод, произведенный в § 27 (формулы (27,7)-(27,9)), был основан только на соотношениях коммутации и потому полностью применим и здесь; надо только вместо L в этих формулах подразумевать s. Из формул (27,7) следует, что собственные значения проекции спина образуют последовательность чисел, отличающихся на единицу. Мы не можем, однако, теперь утверждать, что сами эти значения должны быть целыми, как это имело место для проекции орбитального момента (приведенный в начале § 27 вывод здесь неприменим, поскольку он основан на выражении (26,14) для оператора , специфическом для орбитального момента).

Далее, последовательность собственных значений ограничена сверху и снизу значениями, одинаковыми по абсолютной величине и противоположными по знаку, которые мы обозначим посредством Разность между наибольшим и наименьшим значениями должна быть целым числом или нулем. Следовательно, число s может иметь значения 0, 1/2, 1, 3/2, ...

Таким образом, собственные значения квадрата спина равны

где s может быть либо целым числом (включая значение нуль), либо полуцелым. При заданном s компонента спина может пробегать значения - всего значений. Соответственно этому, и волновая функция частицы со спином s имеет компонент

Опыт показывает, что большинство элементарных частиц - электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мезоны и все гипероны - обладают спином 1/2. Кроме того, существуют элементарные частицы - -мезоны и -мезоны, - обладающие спином 0.

Полный момент импульса частицы складывается из ее орбитального момента 1 и спина s. Их операторы, действуя на функции совершенно различных переменных, разумеется, коммутативны друг с другом.

Собственные значения полного момента

определяются тем же правилом «векторной модели», что и сумма орбитальных моментов двух различных частиц (§ 31).

Именно, при заданных значениях полный момент может иметь значения . Так, у электрона (спин 1/2) с отличным от нуля орбитальным моментом l полный момент может быть равен ; при момент имеет, конечно, лишь одно значение

Оператор полного момента J системы частиц равен сумме операторов моментов каждой из них, так что его значения опредег ляются снова правилами векторной модели. Момент J можно представить в виде

где S можно назвать полным спином, а L - полным орбитальным моментом системы.

Отметим, что если полный спин системы - полуцелый (или целый), то то же самое будет иметь место и для полного момента, поскольку орбитальный момент всегда целый. В частности, если система состоит из четного числа одинаковых частиц, то ее полный спин во всяком случае целый, а потому будет целым и полный момент.

Операторы полного момента частицы j (или системы частиц J) удовлетворяют тем же правилам коммутации, что и операторы орбитального момента или спина, поскольку эти правила являются вообще общими правилами коммутации, справедливыми для всякого момента импульса. Следующие из правил коммутации формулы (27,13) для матричных элементов момента тоже справедливы для всякого момента, если матричные элементы определять по отношению к собственным функциям этого же момента. Остаются справедливыми (с соответствующим изменением обозначений) также и формулы (29,7)-(29,10) для матричных элементов произвольных векторных величин.

Учитывая также, что найдем

При изучении спектра атома водорода обнаружили, что они имеют дуплетную структуру (каждая спектральная линия расщеплена на две полоски). Чтобы объяснить это явление предположили, что электрон обладает собственным механическим моментом импульса – спином (). Первоначально спин связывали с вращением электрона вокруг своей оси. Впоследствии выяснилось, что это ошибочно. Спин – это внутреннее квантовое свойство электрона – у него нет классического аналога. Спин квантуется по закону:

где - спиновое квантовое число.

По аналогии с орбитальным моментом импульса, проекция
спина квантуется так, что векторможет принимать
ориентаций. Так как спектральная линия расщепляется только на две части, то ориентацийтолько две:
, отсюда
. Проекция спина на выделенное направление определяется выражением:

где - магнитное квантовое число. Оно может иметь только два значения
.

Таким образом, опытные данные привели к необходимости введения спина. Поэтому для полного описания состояния электрона в атоме необходимо наряду с главным, орбитальным и магнитным квантовыми числами задавать еще магнитное спиновое квантовое число.

Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям.

Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

(
1, 2, 3,…) – квантует энергию,

(
0, 1, 2,…,
) – квантует орбитальный механический момент,

(
0,
,
,…,
) – квантует проекцию момента импульса на заданное направление,

(
) – квантует проекцию спина на заданное направление
.

С возрастанием растет энергия. В нормальном состоянии атома электроны находятся на самых низких энергетических уровнях. Казалось бы, что все они должны быть в состоянии 1s. Но опыт показывает, что это не так.

Швейцарский физик В.Паули сформулировал принцип: в одном и том же атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами ,,
,. То есть два электрона должны отличаться по крайней мере значениями одного квантового числа.

Значению соответствуетсостояний, отличающихся значениямии
. Но ещеимеет два значения
и
, значит всего
состояний. Поэтому в состояниях с заданныммогут находиться
электронов. Совокупность электронов с одинаковымназывается слоем, а с одинаковымии- оболочкой.

Поскольку орбитальное квантовое число принимает значения отдо
, число оболочек в слое равно. Количество электронов в оболочке определяется магнитным и спиновым квантовыми числами: максимальное число электронов в оболочке с заданнымравно
. Обозначение слоев и распределение электронов по слоям и оболочкам представлены в таблице 1.

Пользуясь распределением электронов по состояниям можно объяснить периодический закон Менделеева. Каждый последующий атом имеет на один электрон больше, располагается он в состоянии с возможно меньшей энергией.

Периодическая система элементов начинается с простейшего атома водорода. Его единственный электрон находится в состоянии 1s, характеризуемом квантовыми числами
,
и
(ориентация спина произвольна).

В атоме
два электрона находятся в 1sсостоянии с антипараллельными спинами. На атоме
заканчивается заполнениеK-слоя, что соответствует завершению 1 периода Периодической системы Менделеева.

У атома
3 электрона. Согласно принципу Паули третий электрон уже не может разместиться в целиком заполненном слое К и занимает наинизшее энергетическое состояние с
(L-слой), то есть 2sсостояние. Электронная конфигурация для атома
: 12. Атомом
начинается 2 период Периодической системы Менделеева. Заканчивается 2 период инертным газом неоном. У атома неона полностью заполнена 2pоболочка и полностью заполнен слойL.

Одиннадцатый электрон
размещается вMслое (
), занимая наименьшее состояние 3s. Электронная конфигурация для
: 1223. Электрон 3s(как и 2sу лития) является валентным, поэтому свойства
подобны свойствам
.
завершает 3 период. Его электронная конфигурация
: 12233. Начиная с атома калия в застройке электронных оболочек происходит отклонение. Вместо заполнения 3dоболочки, заполняется сначала 4s(
: 122334). Это происходит потому, что оболочка 4sэнергетически выгоднее, ближе расположена к ядру, чем 3d. После заполнения 4sзаполняется 3d, а затем 4р оболочка, которая дальше от ядра, чем 3d.

С такими отклонениями приходится сталкиваться и дальше. Оболочка 4f, которая содержит 14 электронов, начинает заполняться после того, как заполняются 5s, 5p, 6s. В итоге у элементов 58-71 добавляющиеся электроны садятся в 4fсостояния, а внешние электронные оболочки у этих элементов одинаковы. Поэтому их свойства близки. Эти элементы называют лантанидами. Аналогично близки по свойствам актиниды (90-103), где заполняется 5fоболочка при неизменном 7.

Таким образом, открытая Менделеевым периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов.

Валентность химического элемента равна числу электронов в sили р оболочке с максимальнымn. Еслиs,p,d,… оболочки полностью заполнены, то их спины скомпенсированы. Такие элементы являются диамагнетиками. Если оболочки не полностью заполнены, то имеются не скомпенсированные спины. Это парамагнетики.