Spinul este un moment cinetic intrinsec asociat cu particulele în mecanica cuantică. Spre deosebire de „spinul” obiectelor clasice, unde momentul lor cinetic derivă din rotația părților lor componente, momentul cinetic de spin nu este asociat cu nicio masă internă în rotaţie. De exemplu, particulele elementare, cum ar fi electronul, posedă moment cinetic de spin, chiar dacă acestea sunt particule punctuale. De asemenea, spre deosebire de rotirea din mecanica clasică, spinul nu este descris printr-un vector, ci printr-o entitate formată din două componente (pentru particule cu spin 1/2). Există o diferență observabilă în modul în care aceasta se transformă în rotaţia coordonatelor.
Alte particule subatomice, cum ar fi neutronii, care au sarcina electrică zero, posedă, de asemenea, spin.
Atunci când se aplică la rotații spațiale, principiile mecanicii cuantice afirmă că valorile observate ale momentului cinetic (care sunt valorile proprii ale operatorului momentului cinetic) sunt limitate la numere întregi sau multipli semi-întregi ai h/2π. Acest lucru se aplică şi momentului cinetic de spin, de asemenea. Mai mult decât atât, teorema statisticilor de spin afirmă că particulele cu spin întreg corespund bosonilor, iar particulele cu spin semi-întreg corespund fermionilor.
Un corp rotativ încărcat într-un câmp magnetic neomogen va experimenta o forță. Electronii într-un câmp magnetic neomogen experimentează, de asemenea, o forță, şi de aceea şi-au imaginat oamenii electronul ca „rotându-se”. Forțele observate variază pentru diferiţi electroni, iar aceste diferențe sunt atribuite diferențelor de spin. Spinul electronilor este, prin urmare, de obicei, măsurat prin observarea deviaţiei lor într-un câmp magnetic neomogen. În conformitate cu predicțiile teoriei, numai multiplii semi-întregi ai lui h/2π sunt observaţi vreodată pentru electroni.
Istoria
Spin a fost descoperit în contextul spectrului de emisie al metalelor alcaline. În 1924, Wolfgang Pauli (care a fost probabil cel mai influent fizician în teoria spinului) a introdus ceea ce el a numit un „grad cuantic cu două valori de libertate”, asociat cu electronul în învelişul exterior. Acest lucru i-a permis să formuleze principiul de excluziune Pauli, afirmând că doi electroni nu pot partaja aceleași numere cuantice.
Interpretarea fizică a oţiunii de „grad de libertate” Pauli a fost inițial necunoscută. Ralph Kronig, unul dintre asistenții lui Lande, a sugerat la începutul anului 1925 că aceasta este produsă de auto-rotația electronului. Când Pauli a auzit ideea, el a criticat-o sever, menționând că suprafața ipotetică a electronul ar trebui să se miște mai repede decât viteza luminii pentru ca aceasta să se rotească suficient de repede pentru a produce momentul cinetic necesar. Acest lucru ar încălca teoria relativității. În mare parte ca urmare a criticilor lui Pauli, Kronig a decis să nu publice ideea.
În toamna aceluiaşi an, aceeași idee le-a venit la doi fizicieni olandeze tineri, George Uhlenbeck și Samuel Goudsmit. Sfătuiţi de Paul Ehrenfest, au publicat rezultatele lor într-o lucrare de mici dimensiuni. Au avut un răspuns favorabil, mai ales după ce LH Thomas a reușit să rezolve o discrepanță între rezultatele experimentale și calculele lui Uhlenbeck și Goudsmit (și cele nepublicate ale lui Kronig.) Această discrepanță a fost determinată de necesitatea de a lua în considerare orientarea tangenţialăa referinţei electronului, în plus față de poziția sa.
În ciuda obiecțiilor sale inițiale privind această idee, Pauli a formalizat teoria spinului în 1927, cu ajutorul teoriei moderne a mecanicii cuantice descoperite de Schrödinger și Heisenberg. El a utilizat pentru prima dată matricele Pauli ca o reprezentare a operatorilor de spin, și a introdus o funcţie de undă spinorială cu două componente.
Teoria Pauli pentru spin a fost non-relativistă. Cu toate acestea, în 1928, Paul Dirac a publicat ecuația Dirac, care a descris electronul relativist. În ecuația Dirac a fost utilizat un spinor cu patru compoenente (cunoscut ca „spinorul Dirac„) pentru funcția de undă a electronului.
În 1940, Pauli a demonstrat teorema statisticilor de spin, în care se afirmă că fermionii au spin semi-întreg și bosonii spin întreg.
Aplicaţii
O posibilă aplicaţie s spinului este ca purtător de informații binare în tranzistorii de spin. Electronica bazată pe tranzistorii de spin se numește spintronica.
Imagine: CERN
Lasă un răspuns