Почему спин — это причудливое свойство в физике?

спин частицы - это в квантовой физике

Спин – это сложная для понимания и в высшей степени необычная величина в квантовой физике. Да и сам квантовый мир крайне причудлив. Поскольку в его царстве субатомные частицы действуют по правилам, далеким от привычных.

К примеру, квантовые частицы могут находиться в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно. То есть существовать в тумане вероятностей. И им нет никакого дела до того, что мы этого не понимаем. Но сейчас не об этом. А о причудливом свойстве квантовых частиц, называемых в физике спином.

 

Содержание:

 

Хотя мы этого и не видим, и возможно даже никогда об этом не задумываемся, но всё что нас окружает, состоит из разнообразных частиц и находится в постоянном движении.  Тот же телефон, которым вы пользуетесь, состоит из молекул, а те из атомов. И хотя «атом» в переводе с греческого означает «неделимый», он также состоит из еще более мелких частиц.

Соответственно, первичные, неразложимые частицы, из которых состоит вся материя, называются элементарными частицами. Или же квантовыми или фундаментальными частицами.

Спин — что это за понятие в физике?

Итак, спин — что это за понятие в физике, а точнее в квантовой механике, и чем он странен?

спин это вращение в физике

В переводе с английского спин (spin)  – это вращение, вращаться. Если посмотреть определение, то спин —  это собственный момент импульса элементарной частицы.

А вектор спина — это величина, характеризующая ориентацию спина в квантовой механике.

спин электрона

  • Но суть в том, что спин никак не связан ни с движением, ни с перемещением, ни с вращением частицы. Хотя, если представить, что спин в чем-то он аналогичен вращению Земли, то это дает квантовой частице угловой момент и крошечное магнитное поле, называемое магнитным моментом.
    спиновый момент частицы

    С другой стороны, спин – это такая причудливая квантовая величина в физике, для которой невозможно представить и найти классического аналога.

    Спиновый угловой момент или просто спин (для краткости) — это внутреннее свойство частицы. И им она обладает, если можно так сказать, по праву рождения. Так же как массой или зарядом. А все остальные свойства частицы уже зависят от того, что она делает.

    И если попробовать по этому принципу разделить некоторые свойства квантовой частицы, то получим следующую таблицу:

    Изначальные внутренние свойстваВнешние изменяемые свойства
    МассаПоложение
    ЗарядЭнергия
    СпинИмпульс
    Орбитальный угловой момент

    Соответственно, спин частицы невозможно изменить, также как её заряд или массу. Это её неизменная квантовая характеристика.

    Небольшое видео о том, что такое квантовый спин на английском языке. При желании всегда можно включить перевод в субтитрах.

 

  • К тому же, в отличие от классического магнитного момента, спин квантуется. Другими словами, спин может принимать только одно из двух возможных значений.
    описание спиновых состояний

    Для определения спина в квантовой механике используют спиновое квантовое число. Спиновое число обозначается буквой J и принимает ряд дискретных значений. А само значение спина пропорционально постоянной Планка h

    Спиновое квантовое число формула

    Кстати, одним из применений квантовой физики в жизни становятся квантовые компьютеры. И тогда спин электрона оказывается крайне важен. Ведь он является одной из физических реализаций квантовой системы с двумя состояниями.

Спин квантовой частицы – свойства

Понятие «спин» было предложено в 1925 году американскими физиками Джорджем Уленбеком и Абрахамом Гаудсмитом как объяснение существования спектральных линий. Вот как говорится об этом в книге  «Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности».

«В классической физике угловой момент, описывающий обычное вращение, может быть направлен в произвольном направлении. То, что предложил Уленбек было квантовым вращением — спином.

Свойства спина

  • Спин — это двузначная величина. То есть спин может быть направлен “вверх” или “вниз”. Уленбек представлял себе эти два допустимые спиновые состояния как вращение электрона относительно вертикальной оси по или против часовой стрелки. При этом электрон продолжал вращаться по орбите вокруг ядра.
  • При таком движении электрон генерирует собственное магнитное поле. Он ведет себя как стержневой электромагнит субатомных (очень малых) размеров.

спин это в физике магнит

  • Магнитный момент электрона может быть ориентирован по внешнему магнитному полю либо против него.
  • Понятно, что на любой разрешенной электронной орбите может находиться сразу два электрона. Но при условии, что у одного из них спин направлен “вверх”, а у другого “вниз”. Тогда этим двум направлениям спина соответствуют очень близкие, но не тождественно равные энергии. (Именно это и приводит к образованию в спектре щелочей дублета, то есть не одной, а двух очень близко расположенных друг к другу линий.)
спектр элементов дублеты
Спектральные линии. Продублированные линии одного цвета и есть дублеты
  • Уленбек и Гаудсмит показали, что спин электрона может равняться плюс или минус одной второй 1/2. Он удовлетворяет принципу запрета Паули.

И все же, впервые идею о существовании спина у электрона выдвинул 21-летний американец Ральф Крониг.  Но не опубликовал это открытие из-за саркастической реакции Паули. “В будущем я буду доверять своим суждениям больше, чем чьим-либо еще”, — впоследствии жаловался он.

Позднее Джордж Уленбек открыто признал, что он и Гаудсмит вовсе не были первыми, кто предложил квантовать вращение электрона.

спин квантовых частиц

Даже годы спустя большинство физиков считало, что Гаудсмит и Уленбек должны были получить Нобелевскую премию.

В конце концов, спин электрона — одно из самых важных понятий физики XX века.

Но именно из-за инцидента с Паули и Кронигом Нобелевский комитет уклонился от присуждения награды Гаудсмиту и Уленбеку».

Наверное, именно таким двойным открытием реализовались в макромире квантовые свойства спина. Такая вот шутка от спина.

Излучение от каких устройств опаснее всего
Нажмите на картинку — ответ на вопрос внутри

Как понять направление вектора спина? Спин вращения

Протоны, нейтроны, электроны, любые квантовые частицы из которых состоят ядра атомов, постоянно находятся в состоянии словно бы вращения. По аналогии с юлой или маленькими гироскопами. Вне зависимости от того, что вы делаете с ними, вы не можете замедлить или ускорить «вращение», то есть спин квантовой частицы. Вы можете только поменять их положение.

гироскоп

Спин вращения традиционно описывают словами «вверх» или «вниз», в зависимости от направления.

Так как же понять направление вектора спина субатомных частиц?

Есть несколько способов. Прежде всего, да и проще всего, спин вращения квантовой частицы можно определить так:

  • Например, если представить себе наручные часы, лежащие на столе, то понятие вращения «вверх» будет соответствовать движению против часовой стрелки. А вращение «вниз» — по часовой стрелке.
  • Кроме того, есть и другой удобный способ запомнить, что такое спин «вверх» и спин «вниз». Для этого смотрим на правую руку и сгибаем пальцы на руке в том направлении, в котором вращается квантовая частица. К примеру, протон или нейтрон. В результате, большой палец на правой руке будет направлен вдоль оси вращения. А его направление будет определять «направление» спина – «вверх» или «вниз».

levoe-i-pravoe-torsionnye-polja

Также, о правом и левом вращении можно прочитать в статье «Спасение и бич 21 века».

Эксперимент Штерна-Герлаха

«Эксперимент Штерна-Герлаха» впервые был проведен в 1922 году. Он дал первый намек на то, что квантовые частицы обладают неизвестным ранее видом магнетизма. Другими словами, исследователи обнаружили, что частицы обладают неким свойством, проявляющимся только в присутствии магнитного поля.

В ходе эксперимента физики Отто Штерн и Вальтер Герлах из Гамбургского университета в Германии запускали атомы серебра через магнитное поле. Затем они измеряли, где частицы приземляются на экране. И если обычный магнит может оказаться в любой точке, в зависимости от его силы и ориентации, то атомы появляются только в двух дискретных точках.

Эксперимент Штерна-Герлаха

Экспериментаторы обнаружили, что в квантовой реальности  электроны ведут себя так, словно они вращаются сами по себе очень быстро. При этом создаются крошечные магнитные поля вокруг электронов, независимые от тех, которые возникают при их орбитальном движении вокруг ядра.

Вскоре для описания этого процесса была использована терминология «спин» — видимое вращение субатомных частиц. Ведь они вели себя как миниатюрные магниты.

Следовательно, если вы пошлете электрон через магнитное поле и измерите его спин, то вы всегда получите только один из двух результатов.

Физики называют их «спин вверх” и “спин вниз”. И тогда “вверх” и «вниз» — это направления, определяемые магнитным полем.

Спины электронов всегда будут направлены вверх или вниз после измерения и никогда под некоторым углом между ними. Подробнее об этом в видео  «Эксперимент Штерна-Герлаха. Спин электрона».

 

А если хочется углубиться в физику чуть больше, то в продолжении темы видео о том, как ведет себя спин в магнитном поле.

 

Почему спин – это удивительная величина в квантовой физике?

Итак, давайте обобщим.

  • Во-первых, физики рассчитали, что для генерации подобного момента импульса, электрону надо было бы вращаться намного быстрее скорости света. А это не позволительно в нашей реальности.

    Соответственно, получается что спин – это не вращение, а состояние самой частицы, которое вряд ли можно наглядно представить. Вращение в этом случае — это лишь ближайший аналог из макромира.

  • Во-вторых, кажется, что электрон не имеет реального размера. Это безразмерная «точечная частица». И она не имеет наблюдаемой структуры вплоть до миллиардной доли миллиардного метра. А безразмерная точка не может никак вращаться. Каково это быть без структуры? И что тогда вращается вокруг оси?
    спин это структура в химии
  • Далее, еще более странно то, что электрически нейтральные частицы, такие как нейтроны, также имеют спин. Как это возможно? Оказывается, они могут быть нейтральными, только если они состоят из более мелких частиц, которые не нейтральны. И тогда нейтроны все еще крошечные магниты.

    А благодаря тому, что спин — это неотъемлемое свойство всех квантовых частиц, стало возможно классифицировать всю квантовую материю.

    Точно так же, как мы легко объединяем вещи по видам и типам в соответствии с их общими характеристиками.

  • Как и многие вещи в квантовом мире, спин квантован. А это означает, что спин частицы ограничен определенными точными значениями. Спин принято измерять в долях постоянной Планка, и минимальное возможное значение спина соответствует 1/2 постоянной Планка. Но, как правило, физики говорят просто 1/2, 1, 2 и так далее. То есть 0, 1/2, 1 или 3/2 могут быть. А, к примеру, 0,789 – уже нет.
    спин бозоны фермионы

    Более того, эти допустимые значения делят каждую частицу во Вселенной на две категории, в зависимости от того, является ли ее спин целым числом (0, 1, 2), или дробным.

    классификация частиц по спину

    Ты либо бозон, либо фермион. Других вариантов нет.

    бозоны и фермионы

    Бозоны — это частицы в физике с целочисленными спинами. Например, фотон.

    В то время как фермионы обладают полуцелыми спинами (электроны).

    спин бозонов и фермионов

Спин и микролептоны

Таким образом, из-за того что вращение у спина квантовано, допускаются только определенные дискретные вращения у различных квантовых частиц. А это делает спин одним из самых сложных аспектов в квантовой физике и механике.

спин у бозонов и фермионов

И хотя прошло уже почти 100 лет с момента открытия спина, но до сих пор нет однозначного понимания. Например, ученые ломают копья в вопросе «Из чего складывается спин протона?» А также склоняются к тому, что элементарные частицы, возможно, тоже составные.

элементарные частицы

Квантовый мир нехотя расстается со своими секретами. И все же уже открыто множество новых частиц. Одними из них были микролептоны.

Микролептоны легче электрона в миллионы и миллиарды раз.

Размер микролептонов – 10-24 м и меньше.

А вес  от 1,3 *10-40 кг и меньше.

Таким образом, благодаря своему крайне малому размеру они способны проникают повсюду.

размеры квантовых частиц

Как оказалось, именно они ответственны за связь между здоровьем, старением организма, водой и излучением электроприборов. Например, вот одно из последних исследований воздействия микроволновой печи на воду. Подробнее об этой связи можно узнать в статье «Как спин квантовой частицы влияет на здоровье

калькулятор расчет количества рекомендуемых защитных устройств 4 поле
Если нажмете на картинку, то откроется программа расчета.

В тоже время, уже разработаны и активно используются защитные и восстанавливающие устройства.

Резюме

Надеюсь, статья помогла вам разобраться, что такое спин и почему это свойство такое сложное для понимания в квантовой физике. Да и не только в физике, но и в химии тоже.

Еще раз повторюсь, спин – это внутренняя характеристика электрона в квантовой физике, его собственный момент импульса, не связанный с вращением чего-либо или электрическим зарядом.

Здоровья и Добра!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *