Во квантната механика и честичната физика, спинот (или заврт) е вродена форма на аголен импулс што ја носат елементарните честички, композитните честички ( адрони ) и атомските јадра.

Спинот е еден од двата вида на аголен импулс во квантната механика, а другиот е орбитален аголен импулс. Операторот на орбиталниот аголен импулс е квантно-механичкиот дел на класичниот аголен импулс на орбиталната револуција и се појавува кога постои периодична структура на неговата бранова функција како аголот варира. „Аголна динамична операторска алгебра“, класични белешки на Мајкл Фаулер Современ пристап кон квантната механика, од Таунсенд, стр. 31 и стр. 80 Постоењето на спин аголен импулс е заклучено од експерименти, како што е Штерн-Герлаховиот експеримент, во кој сребрените атоми биле забележани да поседуваат два можни дискретни аголни моменти и покрај тоа што немаат орбитален импулс на орбитата.

На некој начин, вртењето е како векторска количина; има одредена големина и има „насока“ (но квантизацијата ја прави оваа „насока“ различна од правецот на обичен вектор). Сите елементарни честички од даден вид имаат иста големина на спин аголен импулс, што е означено со назначување на честичката на спинов квантен број.

SI единицата на спин е ( N · m · s ) или ( kg · m 2 · s −1 ), исто како и со класичниот аголен импулс. Во пракса, спинот се дава како димензионален спинов квантен број со делење на аголниот импулс на спин со редуцирана Планкова константа , која ги има истите единици на аголен импулс, иако ова не е целосно пресметување на оваа вредност. Многу често, „спиновиот квантен број“ едноставно се нарекува „спин“, оставајќи го своето значење како бесконечен „спинов квантен број“ кој треба да се заклучи од контекстот.

Кога се комбинира со теоријата за статистика на спин, спинот на електроните резултира со Паулиевиот принцип на исклучување, кој пак, е основата на периодниот систем на хемиските елементи.

Во 1924 година, Волфганг Паули бил првиот што предложил удвојување на електронските состојби поради двовредносната некласична „скриено вртење“. Во 1925 година, Џорџ Уленбек и Семјуел Гаудсмит на Универзитетот во Лајден предложил едноставна физичка интерпретација на честички се врти околу својата оска, во духот на старата квантна теорија на Бор и Зомерфелд. Ралф Крониг го претставил Уленбек-Гаудсмитовиот модел во дискусија со Хендрик Крамерс неколку месеци порано во Копенхаген, но не го објави. Математичката теорија била детално разработена од Паули во 1927 година. Кога Пол Дирак ја извел неговата релативистичка квантна механика во 1928 година, електронскиот спин бил суштински дел од него.

Квантен број

Како што сугерира името, спинот првично бил замислен како вртење на честичка околу некоја оска. Оваа слика е точна доколку спинот ги почитува истите математички закони како што се квантизираните аголни моменти. Од друга страна, спинот има некои чудни особини кои го разликуваат од орбиталните аголни моменти:

Спиновите квантни броеви може да пополнат цели вредности. Иако насоката на нејзиното вртење може да се смени, елементарна честичка не може да се направи за да се вртат побрзо или побавно. Спинот на наелектризирана честичка е поврзан со магнетен диполен момент со -фактор разликувајќи се од 1. Ова би се случувало само класично ако внатрешниот полнеж на честичката е распределен поинаку од неговата маса.

Конвенционалната дефиниција на спиновиот квантен број, , е , каде што може да биде кој било ненегативен цел број. Оттука дозволените вредности на се 0, 1, 2, итн. Вредноста на за елементарна честичка зависи само од типот на честички и не може да се менува на кој било познат начин (за разлика од насоката на вртење опишана подолу). Спиновиот аголен моментум, , на секој физички систем е квантизиран. Дозволените вредности на се:

каде е Планковата константа и е намалената Планкова константа. Спротивно на тоа, орбиталниот аголен импулс може да земе само цели вредности на ; односно вредностите на - нумерирани броеви.

Фермиони и бозони

Оние честички со полуцел број спинови, како што се се познати како таканаречени фермиони, додека оние честички со цел број спинови, како што е 0, 1, 2, се познати како бозони. Двете семејства на честички ги почитуваат различните правила и широко имаат различни улоги во светот околу нас. Клучна разлика помеѓу двете семејства е тоа што фермионите го почитуваат Паулиевиот принципот на исклучување; што значи, не може да има две идентични фермиони кои истовремено ги имаат истите квантни броеви (што значи, приближно, имаат иста позиција, брзина и насока на вртење). Спротивно на тоа, бозоните ги почитуваат правилата на Бозе-Ајнштајновата статистика и немаат такво ограничување, така што тие можат да „купуваат заедно“, дури и ако се во идентични состојби. Исто така, композитните честички можат да имаат различни спинови од нивните компонентни честички. На пример, атомот на хелиум во основната состојба има спин 0 и се однесува како бозон, иако кварковите и електроните што го сочинуваат се сите фермиони.

Ова има некои длабоки последици:

* Кварковите и лептоните (вклучувајќи ги електроните и неутрината), кој ја сочинуваат класично познатата материја, се сите фермиони со спин . Вообичаената идеја дека „материјата зафаќа простор“ која потекнува од Паулиевиот принцип кој дејствувајќи на овие честички спречува фермионите да создадат материја во иста квантна состојба. Дополнителното збивање ќе побарува електроните да зафатат исти енергетски состојби, и тогаш вид на притисок (понекогаш познат и како изродителен притисок на електроните) дејствува на фермионите пружајќи отпор и спречувајќи тие да се приближат премногу блиску.

Основни фермиони со други спинови како итн) досега не се познати.

Основните честички кои се сметаат за носители се сите бозони со спин   1. Тие вклучуваат фотон кој ја носи електромагнетната сила, глуонот ( силна сила ) и W и Z бозоните ( слаба сила ). Способноста на бозоните да ја окупираат истата квантна состојба се користи во ласерот, кој ги усогласува многуте фотони кои имаат ист квантен број (иста насока и честота), суперфлуидниот течен хелиум што резултира од атомите на хелиум-4 како бозони, и суперспроводливоста каде што пара електроните (кои поединечно се фермиони) делуваат како единечни композитни бозони.

Елементарните бозони со други спинови (0, 2, 3 и сл.) Не биле историски познати дека постојат, иако добиле значителен теоретски третман и се добро воспоставени во нивните мејнстрим теории. Особено, теоретичарите предложиле гравитон (предвидено да постојат од некои квантни теории на гравитација ) со спин 2, а Хигсовиот бозон (објаснувајќи ја електрославната симетрија за кршење ) со спин 0. Од 2013 година, Хигсовиот бозон со спин   0 се смета за докажано дека постои. Информации за Хигс Босон на официјалното мрежно место на ЦЕРН. Тоа е првата скаларна елементарна честичка (спин   0) познато дека постои во природата.

Спин-статистичка теорема Теоремата за спин-статистика вели: (1) дека честичките со полуцелно спин (фермиони) ја почитуваат статистиката на Ферми-Дирак и принципот на исклучување на Паули и (2) дека честичките со целобројни спинови (бозони) ги почитуваат статистиките на Бозе-Ајнштајн, зафаќаат „симетрични состојби“, и на тој начин можат да делат квантни состојби. Теоремата се потпира на квантната механика и на теоријата за специјална релативност, и оваа поврзаност помеѓу спин и статистика е наречена „една од најважните примени на теоријата за специјална теорија на релативноста“.

Магнетни моменти

десно|мини| Шематски дијаграм кој го прикажува спинот на неутронот како црна стрелка и линии на магнетно поле поврзани со неутронскиот магнетен момент. Неутронот има негативен магнетен момент. Додека спинот на неутронот е нагоре во овој дијаграм, линиите на магнетното поле во центарот на диполот се надолу. Честичките со спин можат да поседуваат магнетен диполен момент, исто како вртечкото електрично наелектризирано тело во класичната електродинамика. Овие магнетни моменти можат да бидат експериментално забележани на неколку начини, на пр. Со девијација на честички со нехомогени магнетни полиња во експериментот Штерн-Герлах, или со мерење на магнетните полиња генерирани од самите честички.

На вродена магнетни момент на спин честичка со полнеж , маса , и спински аголен момент , е:Physics of Atoms and Molecules, B.H. Bransden, C.J.Joachain, Longman, 1983,

каде бездимензионалната величина е наречен спински -фактор. За исклучителните орбитални ротации ќе биде 1 (претпоставувајќи дека масата и полнежот зафаќаат сфери со ист полупречник).

Електронот, како наелектризирана елементарна честичка, поседува ненулов магнетен момент. Еден од триумфите на теоријата на квантната електродинамика е нејзиното прецизно предвидување на електронскиот -фактор, кој е експериментално утврден да ја има вредноста , со цифри во загради означувајќи ја мерната несигурност кај последните две цифри на едно стандардно отстапување. Вредноста на 2 произлегува од равенката на Дирак, основна равенка која го поврзува спинот на електронот со неговите електромагнетни својства, а исправката на ... произлегува од интеракцијата на електронот со околното електромагнетно поле, вклучувајќи го и сопственото поле. Композитните честички, исто така, поседуваат магнетни моменти поврзани со нивното вртење. Особено, неутронот поседува ненултен магнетен момент и покрај тоа што е електрично неутрален. Овој факт бил рана индикација дека неутронот не е елементарна честичка. Всушност, таа е составена од кваркови, кои се електрично наелектризирани честички. Магнетниот момент на неутронот доаѓа од спиновите на поединечните кваркови и нивните орбитални движења.

Неутрината се елементарни и електрично неутрални. Минимално проширениот стандарден модел кој ги зема предвид неутриноските омаси со нула, предвидува неутриноски магнетни моменти на:

каде што се неутриноски магнетни моменти, се неутриноските маси, а е Бох магнетон. Новата физика над електролеката може да доведе до значително повисоки неутриноски магнетни моменти. Може да се прикаже на модел независен начин што неутриноски магнетни моменти поголеми од околу 10 −14   се „неприродни“, бидејќи тие, исто така, ќе доведат до големи радијациски придонеси кон неутриноската маса. Бидејќи се знае дека масите на неутрино се најмногу околу 1   eV, големите радијациски исправки потоа ќе треба да бидат „фино нагодени“ за да се откажат едни со други, во голема мера, и да ја остават масата на неутрино.

Мерењето на неутриноските магнетни моменти е активна област на истражување. Експерименталните резултати го ставија неутрино магнетниот момент на помалку од     пати од магнетниот момент на електроните.

Кириева температура и нарушување на подредувањето Во обичните материјали, магнетните диполни моменти на поединечните атоми создаваат магнетни полиња кои се откажуваат еден со друг, бидејќи секој дипол покажува во случајна насока, при што вкупниот просек е многу близу нула. Меѓутоа, феромагнетните материјали под нивната температура на Кири покажуваат магнетни домени во кои атомарните диполни моменти се локално порамнети, создавајќи макроскопско ненулово магнетно поле од доменот. Ова се обичните „магнети“ со кои сите сме запознаени.

Во парамагнетенте материјали, магнетните диполни моменти на поединечните атоми спонтано се усогласуваат со надворешно применет магнетно поле. Во дијамагнетенте материјали, од друга страна, магнетните диполни моменти на поединечните атоми спонтано се спојуваат спротивно на кое било надворешно примени магнетно поле, дури и ако тоа бара енергија за тоа.

Студијата за однесувањето на таквите „спинови модели“ е просперитетна област на истражување во физиката на кондензирана материја. На пример, Изинговиот моделот тој ги опишува спиновите (диполи) кои имаат само две можни состојби, нагоре и надолу, додека во Хајзенберговиот модел спиновиот вектор е дозволено да посочува во која било насока. Овие модели имаат многу интересни својства, што довело до интересни резултати во теоријата на фазни транзиции.

Насока