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.