Principal / Reabilitare

Ce se întoarce

SPIN (rotire engleză, literal-rotație), proprie momentul momentului de mișcare a unei particule elementare (electron, proton, etc.). Are o natură cuantică și nu este asociată cu k.-l. mișcări de particule, incl. nu depinde de prezența sau absența momentului orbital (unghiular) al numărului de mișcare. Spații. cuantificarea spinului determină numărul cuantic s: proiecția spinului S al particulei pe direcția aleasă Sz poate lua valorile măsurate în unități ale constantei lui Planck ђ și egal-sђ, -sђ + ђ. sђ. Este numit numărul cuantic s spin numărul cuantic sau doar spin; este egal pentru electroni, protoni, neutroni, neutrino 1/2, pentru fotoni 1, pentru p - și mezonii K.

Inapoi este numit de asemenea, proprii momentul numărului de mișcare a nucleului atomic, atom, mol. sistem; în acest caz, rotația sistemului este definită ca suma vectorială a rotirilor particulelor individuale: S s = S. Astfel, rotația nucleului este egală cu întregul număr sau jumătate întreg (în mod obișnuit, indicat prin I), în funcție de faptul că nucleul include un număr parit sau par de protoni și neutroni. De exemplu, pentru 1 H I = 1/2, pentru 10 V I = 3, pentru 11 V I = 3/2, pentru 17 O I = 5/2, pentru 16 O I = 0. Pentru un atom, spinul lor total de electroni este S = 0, în prima stare excitat, S = 1. În prezent. teoretic. fizica, ch. arr. în teoria particulelor elementare, spinul este adesea numit impulsul total al mișcării particulelor, egal cu suma particulelor orbitale și a particulelor lor. momente.

Conceptul de spin a fost introdus în 1925 de către J. Uhlenbeck și S. Gaudsmith, pentru interpretarea experimentelor. date despre divizarea unui fascicul de atomi de argint în mag. câmpul a sugerat că un electron poate fi considerat ca o roată de rotație în jurul axei sale, cu o proiecție pe direcția câmpului egală cu. În același an, V. Pauli a introdus conceptul de spin în matematică. aparatul mecanicii cuantice nonrelativiste și a formulat principiul interzicerii, care precizează două identități. particulele cu o rotație pe jumătate nu pot fi simultan în sistem în aceeași stare cuantică (vezi principiul Pauli). Conform abordării lui V. Pauli, există operatori s 2 și sz, la-secara poseda propria. Valorile ђ 2 s (s + 1) și ђsz respectiv. și act nat. numit. părțile de spin ale funcției de undă a a și b (funcțiile de rotire) sunt aceleași cu cele ale impulsurilor orbitalului orbital I 2 și Iz acționează asupra spațiilor. parte a funcției de undă Y (r), unde r este vectorul de rază al particulei. Operatorii s 2 și sz se supun acelorasi reguli de comutatie ca si operatorii I 2 si Iz.

Dirac ecuație. În 1928, P. Dirac a arătat că existența unui spin rezultă dintr-o soluție relativistă (cu permisiunea pentru finitudinea vitezei luminii) soluționarea problemei mișcării unui electron într-un electromagnetic. câmp. Nivelul Dirac este în mod formal aceeași formă cu nivelul lui Schrodinger:

(T-timp). Operatorul HD, Cu toate acestea, este liniară în componentele momentului electronului p și dacă intensitatea câmpului este caracterizată de un potențial vectorial A cu componentele Ax, Ala, Az și potențialul scalar V, atunci

unde e și m sunt încărcătura și masa de odihnă a electronului, c este viteza luminii. Px, rla, rz au forma obișnuită:

coeficienții a x, o la, o z-Matrice 4 x 4 (matrici Dirac), matrice cu 1 unitate. Faza relativistă a undelor Y D pentru un electron, ca și pentru orice altă particulă cu spin 1/2, trebuie să fie de 4 componente; exprimă de obicei această urmă. prin înregistrarea:

Nivelul lui Dirac este de fapt un sistem cu 4 nivele pentru 4 funcții de F eu și Xeu, în funcție de coordonatele x, y și z și timpul t.

Existența unui spin ca a lui. momentul cantității de mișcare a unui electron rezultă din faptul că în absența unui moment de ext. operatorul forței HD nu merge cu operatorul de impuls orbital L, ca operator H în ecuația lui Schrödinger, ci cu operatorul J = L + S. Aceasta înseamnă că impulsul orbital al mișcării nu este păstrat. un electron, și numai suma orbitalului este salvată, iar altele vor adăuga. timp-to-back.

Nivelul lui Dirac este foarte simplificat la viteze mici (în raport cu viteza luminii) u clasice. mișcarea unui electron, atunci când în limita non-relativistă, când masa de electroni devine egală cu masa de repaus, X1 și X2 graba la zero, iar operatorul HD merge în așa-numitul. Operatorul Breit-Pauli:

unde s · B = s xx + s gla + s zz;x, la, z - componente ale vectorului magn. inducția B = putregai A, care coincidează în vid cu componentele magnetului magnet. câmpurile H și s x, s y, s z-2x2 matrice (matrice Pauli):

Funcția Wave Y BP, care este soluția ecuației lui Breit-Pauli, are două componente, spre deosebire de Y-ul cu 4 componente D:

Pentru un electron într-un magnet uniform. Câmpul Y BP mereu m. Prezentat ca propriu. funcția operatorilor s 2 și sz cu propriul Valorile ≤ 2 s (s + 1) și b ≤ s, unde s = 1/2. Asemenea. două faze: una cu a lui. valorile și celălalt cu al său. valori și - Aceste funcții sunt de obicei scrise sub forma:

unde simbolurile a și a și b înseamnă vectorii u, care sunt numiți. funcții spin. Vorbiți despre funcția lor. dependențele pot fi condiționate numai și o înregistrare frecventă a formei a (1) b (2) înseamnă numai că simbolul a este un vector pentru un electron, iar simbolul b este vectorul corespunzător celui de-al doilea electron.

Răsuciți momentul magnetic. În operatorul Breit-Pauli NBP există doi termeni care sunt dependenți liniar de componentele potențialului vectorial A, definind ext. magnet. câmp:

Pentru un câmp omogen A = 1/2 B x r, semnul x denotă produsul vectorial și

unde este magnetonul lui Bohr. Se numește cantitatea vectorului magnet. momentul particulei cu sarcină e și masa m (în acest caz, un electron), se numește cantitatea vectorului. spin magn. a momentului. Este numit raportul coeficienților din fața lui s și l g-factorul de particule ohm. Pentru protonul 1 H (spin I = 1/2), factorul g este 5,5854, pentru nucleul 13 C cu aceeași rotație I = 1/2, factorul g este egal cu 1,4042; posibil și negativ. g factori, de exemplu: pentru miezul 29 Si, factorul g este -1.1094 (spinul este 1/2). Valoarea experimentală determinată a factorului g de electroni este de 2,002319.

Atât pentru un singur electron cât și pentru un sistem de electroni sau alte particule, spinul S este orientat în raport cu direcția câmpului uniform. Proiectie Spin Sz pe direcția câmpului are valoarea 2S + 1: - S, - S + 1,., S. Numărul de dec. proiecții spin naz. multiplicitatea stării cuantice a unui sistem cu spin S.

Magnus. un câmp care acționează pe un electron sau un nucleu într-o moleculă, m. nu numai extern, poate fi creat de alții, electroni sau apar atunci când sistemul de particule încărcate se rotește în ansamblu. Deci, interacțiunea. magnet. câmpul creat de electronul i cu nucleul v conduce la apariția în Hamiltonian a unui membru al formei:

unde nv- vectorul de unitate în direcția vectorului de rază al nucleului Rv, Zv și Mv-încărcarea și masa nucleului. Membrii speciilor Iv· Ieu corespund interacțiunii spin-orbită, membrilor de tip Iv· Seu- spin-spin interacțiune. Pentru atomi și mol. sistemele împreună cu cele de mai sus apar și membrii sunt proporționali cu (seu· Sj), (Iv· I m ) etc. Acești termeni provoacă divizarea energiei degenerate. niveluri și, de asemenea, duce la decomp. care determină structura fină și structura hiperfină (vezi Spectrul Atomic, Spectrul Molecular).

Explicații experimentale ale spatelui. Prezența unei rotații non-zero a subsistemului electronic conduce la faptul că molecula are un magnet uniform. câmpul are o divizare a nivelelor de energie, iar magnitudinea acestei divizări este influențată de substanțele chimice. structura moleculei (vezi Rezonanța electronică paramagnetică). Prezența rotirilor nonzero ale nucleelor ​​atomice conduce, de asemenea, la împărțirea nivelelor, iar această divizare depinde de screening-ul ext. câmpurile cele mai apropiate de nucleu (a se vedea Rezonanța magnetică nucleară). Spin-orbitală interacțiune. duce la o divizare puternică a nivelurilor de state electronice, atingând valori de ordinul mai multor. zeci de eV și chiar mai multe. unități de eV. Este deosebit de pronunțat pe atomii de elemente grele atunci când devine imposibil să vorbim despre o anumită rotire a unui atom sau a unei molecule, dar puteți vorbi doar despre impulsul total angular al sistemului. Mai slabe, dar totuși clar stabilite în studiul spectrelor sunt interacțiunile spin-rotație și spin-spin.

Pentru condens. Prezența rotirilor particulelor se manifestă în mag. Sv-Vakh aceste medii. Cu un anumit t-re, este posibilă o stare ordonată a rotirilor de particule (atomi, molecule, ioni) situate, de exemplu, în nodurile cristaline. laturi, și, prin urmare, asociate cu rotiri magn. momente care conduc la apariția unui sistem puternic de paramagnetism (ferromagnetism, antiferromagnetism). Încălcarea ordonării rotirilor particulelor se manifestă sub forma undelor de spin (vezi Materiale magnetice). Interacțiunea. propriul mag. momente cu oscilații elastice ale mediului numite. spin-phonon interacțiune (a se vedea chimia de stare solidă); determină relaxarea prin spin-lattice și absorbția fono-fononică a sunetului.

O manifestare importantă a regulilor de selecție legate de centrifugare și a regulilor de interdicție. Cu o interacțiune slabă spin-orbită sau spin-spin. sistemul menține separat momentul orbital și centrifugarea sau rotirea diferitelor subsisteme. Deci, putem vorbi despre o anumită spate a subsistemului nucleului și a subsistemului electronilor moleculei. Slabă interacțiune spin-spin. electronii și un foton emis (sau absorbit) de o moleculă conduc la faptul că rotația subsistemului de electroni cu o probabilitate mare nu se schimbă atunci când lumina este emisă (absorbită), ceea ce duce la regula de selecție pentru tranzițiile cuantice: emiterea sau absorbția de lumină are loc astfel încât spinul moleculei să fie păstrat, care este, DS = 0. Salvarea spate va radia, de asemenea. durata de viață a atomilor și a moleculelor, care sunt, de exemplu, în stadiul cel mai mic excitat de triplet, se dovedește a fi foarte lungă din cauza interzicerii spatelui care va radia. trecerea la starea de sol singlet (vezi Luminescence). În chimie în fază gazoasă. p-tions adesea urmează o regulă similară: în cursul unui act elementar de interacțiune. spinarea totală a particulelor sistemului nu se schimbă. Studierea regulilor de interdicție pentru centrifugare și identificarea motivelor care cauzează încălcările acestora permite obținerea unor informații importante despre mecanismele de reacție și rolul efectelor de spin în p-tiuni.

Spin și legătură chimică. În stadiul inițial de dezvoltare a chimiei cuantice de către V. Geitler și F. Londra când se analizează molecula H2 educați-l. Legăturile au fost legate de capacitatea unui electron de un atom de a forma o pereche cu un electron opus în rotație, al unui alt atom. Astfel, a apărut o teorie a legăturilor cu doi electroni, care a servit drept bază pentru substanța chimică cuantică. metoda computațională a perechilor de electroni localizați (vezi metoda legăturii Valence). O concluzie similară este că educația chimică. Datorită tendinței de a asocia spini de electroni, a fost ulterior formulată în metode orbitale moleculare. Această afirmație este foarte apropiată. Calitățile sale. justiția m. este justificată numai în cazul în care descrierea stării electronice a sistemului poate fi utilizată cu o precizie bună folosind funcția val de încercare, care corespunde doar unei scheme de valență sau funcției metodei limitate Hartree-Fock. În general, efectul de spini asupra formării de substanțe chimice. conexiunea este doar indirectă: cerința de antisimetrie a funcției undelor electronice conduce la anumite restricții asupra spațiilor pentru o rotație dată a moleculei. distribuția electronilor, care implică diferența în energiile statelor cu multipletări diferite.

Lit.: Davydov A.S., Mecanica cuantică, ediția a doua, M., 1973; Messiah A., Mecanica cuantică, trans. Franceză, t. 1-2, M., 1978-79; McWeeny R-, Spin in chemistry, N. Y., 1970. H. F. Stepanov.

Ce este spinul?

Contrar opiniei populare, spinul este un fenomen pur quantum. Și mai multă rotație nu este legată de "rotirea particulei" în jurul ei.

Pentru a înțelege corect ce este spinul, să înțelegem mai întâi ce este o particulă. Din teoria câmpului cuantic, știm că particulele sunt un tip specific de excitație a starii primare (vid) care are anumite proprietăți. În special, unele dintre aceste excitații au o masă care ne amintește foarte mult de masa tradițională a legilor lui Newton. Unele dintre aceste excitații au o încărcătură diferită de zero, care se obține atât de similar încărcării din legile lui Coulomb.

În plus față de proprietățile care au analogii lor în fizica clasică (masa, încărcare), se pare (în experimente) că aceste excitații ar trebui să aibă o altă proprietate care nu are absolut nici un analog în fizica clasică. Mă voi concentra pe asta încă o dată: NU analogi (aceasta nu este rotația particulelor). În calcule, sa dovedit că această rotație nu este o caracteristică scalară a unei particule, cum ar fi masa sau încărcătura, ci un alt (nu vector).

Sa dovedit că spinul este o caracteristică internă a unei astfel de excitații, care prin proprietățile sale matematice (de exemplu, legea transformării) este foarte asemănătoare momentului cuantic.

Apoi am plecat. Sa dovedit că proprietățile acestor excitații, funcțiile lor de undă, depind foarte mult de magnitudinea acestei rotații. Deci, o particulă cu spin 0 (de exemplu, bosonul Higgs) poate fi descrisă printr-o funcție de undă unică și pentru o particulă cu spin 1/2 ar trebui să existe o funcție cu două componente (funcție vectorală) corespunzătoare proieciei spin pe această axă 1/2 sau -1/2. De asemenea, sa dovedit că centrifuga poartă diferența fundamentală între particule. Deci, pentru particulele cu spin întreg (0, 1, 2) există legea distribuției Bose-Einstein, care permite ca multe particule arbitrar să fie în aceeași stare cuantică. Și pentru particulele cu o centrifugă întreagă (1/2, 3/2), datorită principiului excluziunii Pauli, distribuția Fermi-Dirac este în vigoare, interzicând două particule să fie în aceeași stare cuantică. Mulțumită celor din urmă, atomii au niveluri Bohr, din cauza acestei comunicări este posibilă și, prin urmare, viața este posibilă.

Ce este spinul în fizică: impulsul angular, bosoni, fermioane

Deci, am abstracŃi complet și uităm definiŃiile clasice. Spinul este un concept inerent exclusiv în lumea cuantică. Să încercăm să ne dăm seama ce este.

Momentul de rotire și unghiular

Spin (din spinul rotativ englez) - momentul propriu al impulsului unei particule elementare.

Acum, să ne reamintim ce moment impuls este în mecanica clasică.

Momentul impulsului este o cantitate fizică care caracterizează mișcarea de rotație, mai precis, cantitatea de mișcare de rotație.

În mecanica clasică, impulsul unghiular este definit ca produsul vector al impulsului particulei și al razei sale, vectorul:

Prin analogie cu mecanica clasică, spinul caracterizează rotația particulelor. Ele sunt prezentate sub formă de vârfuri, care se rotesc în jurul unei axe. Dacă o particulă are o sarcină, atunci, rotitoare, creează un moment magnetic și este un fel de magnet.

Totuși, această rotație nu poate fi interpretată clasic. Toate particulele, pe lângă rotație, au un moment angular extern sau orbital, care caracterizează rotația unei particule relativ la un anumit punct. De exemplu, atunci când o particulă se deplasează de-a lungul unei traiectorii circulare (un electron în jurul nucleului).

Spinul este un moment angular intrinsec, adică caracterizează starea de rotație internă a unei particule, indiferent de impulsul angular orbital extern. În acest caz, rotația nu depinde de deplasările externe ale particulei.

Imaginați-vă că se rotește în interiorul particulei, este imposibil. Cu toate acestea, rămâne faptul că pentru particulele încărcate cu rotiri direcționate opus, traiectoriile de mișcare într-un câmp magnetic vor fi diferite.

Spin numărul cuantic

Pentru a caracteriza spinul în fizica cuantică a introdus numărul cuantic spin.

Numărul spinului cuantic este unul dintre numerele cuantice inerente particulelor. Adesea, un număr quantum de spin este pur și simplu numit spin. Cu toate acestea, trebuie să se înțeleagă că rotația unei particule (în sensul propriului moment angular) și numărul de spin quantum nu sunt același lucru. Numărul de rotație este notat cu litera J și ia o serie de valori discrete, iar valoarea centrifugării este proporțională cu constanta Planck redusă:

Bosoni și fermioane

Diferitele particule au numere de spin diferite. Deci, principala diferență este că unii au un spin întreg, iar alții - jumătate întregi. Particulele cu un întreg spin sunt numite bosoni, iar jumătățile întregi se numesc fermioane.

Bosonii sunt supuși statisticilor lui Bose-Einstein, iar fermiunile sunt Fermi-Dirac. Într-un ansamblu de particule compuse din bosoni, orice număr poate fi în aceeași stare. Cu fermioni, contrariul este adevărat - prezența a două fermioane identice într-un sistem de particule este imposibilă.

Bosoni și fermioane

Boson: foton, gluon, boson Higgs. Citiți mai multe despre bosonul Higgs într-un articol separat.

Fermioane: electron, lepton, quark

Să încercăm să ne imaginăm diferența dintre particulele cu numere diferite de spin în exemplele din lumea macro. Dacă rotația obiectului este zero, atunci poate fi reprezentată ca un punct. În toate părțile, indiferent de modul în care rotiți acest obiect, acesta va fi același. Când spatele este egal cu 1, o rotație de 360 ​​de grade a obiectului o readuce la o stare identică cu cea inițială. De exemplu, un creion ascutit pe o parte. O rotație de 2 poate fi reprezentată ca un creion, ascuțită pe ambele părți - atunci când transformați un astfel de creion în 180 de grade, nu vom observa modificări. Dar o rotație a jumătății întregi egală cu 1/2 este reprezentată de un obiect, pentru a reveni la starea inițială este necesar să se facă o întoarcere de 720 de grade. Un exemplu ar fi un punct care se deplasează de-a lungul unei benzi Mobius.

Spin - rotiți din engleză - rotiți

Deci, spinul este o caracteristică cuantică a particulelor elementare, care servește pentru a descrie rotația lor internă, impulsul unghiular al unei particule, independent de deplasările sale externe. Sperăm că veți cunoaște rapid această teorie și, dacă va fi necesar, veți putea pune cunoștințele în practică. Ei bine, dacă problema mecanicii cuantice sa dovedit a fi insuportabil dificilă sau nu puteți aranja pagina de titlu pentru cursuri 2016 - nu uitați de autorii noștri care sunt gata să vină la salvare. Având în vedere că Richard Feynman însuși a spus că "nimeni nu înțelege pe deplin fizica cuantică", este destul de natural să vă adresați specialiștilor cu experiență pentru ajutor!

Centrul de informare "Kvarkon"

Spinul este momentul rotirii unei particule elementare.

Uneori, chiar și în cărți de fizică foarte serioase se poate întâlni o afirmație eronată că spinul nu are nimic de-a face cu rotația, care se presupune că particula elementară nu se rotește. Uneori există chiar o astfel de afirmație conform căreia spinul se presupune că este o caracteristică cuantică specială a particulelor elementare, un tip de sarcină care nu se găsește în mecanica clasică.

O astfel de concepție greșită a apărut datorită faptului că atunci când se încearcă să se reprezinte o particulă elementară sub forma unei bile solide rotative de densitate uniformă, se obțin rezultate absurde privind viteza unei astfel de rotații și momentul magnetic asociat cu o astfel de rotație. Dar, de fapt, această absurditate spune doar că particula elementară nu poate fi reprezentată ca o minge solidă de densitate uniformă, și nu că spinul se presupune că nu este în niciun fel legat de rotație.

Dacă rotația nu este considerată o rotație, atunci există unele dificultăți logice. Iată câteva dintre aceste dificultăți:

  • Dacă spinul nu este asociat cu rotația, atunci de ce se ține cont de legea generală de conservare a momentului unghiular, de unde se introduce și momentul de rotație ca termen? Se pare că cu ajutorul momentului de spin putem roti niște particule elementare, astfel încât să se miște într-un cerc. Se pare că rotația a apărut, ca atare, din nimic.
  • Dacă toate particulele elementare din corp au toate rotirile într-o singură direcție și se adună unul cu altul, atunci ce vom obține la nivel macro?
  • În cele din urmă, cum este rotația diferită de cea non-rotație? Ce caracteristică a corpului este un semn universal al rotației acestui corp? Cum să distingi rotația de non rotație? Dacă vă gândiți la aceste probleme, veți ajunge la concluzia că singurul criteriu pentru rotația corpului este prezența cuplului său. O astfel de situație pare foarte ridicolă când vi se spune că, spun ei, da, cuplul este, așa cum era, însă rotația însăși nu este.

De fapt, este foarte confuz că în fizica clasică nu observăm un analog spin. Dacă am putea găsi un analog de spin în mecanica clasică, atunci proprietățile cuantice nu ne-ar părea prea exotice. Prin urmare, pentru început, vom încerca să căutăm un analog al rotației în mecanica clasică.

Spinare analogică în mecanica clasică

După cum se știe, în demonstrarea teoremei lui Emma Noether în partea sa, care este dedicată izotropiei spațiului, primim doi termeni legați de momentul rotației. Unul dintre acești termeni este interpretat ca o rotație normală, iar celălalt ca o rotire. Dar teorema lui E. Noether este irelevantă pentru ce fel de fizică avem de-a face, clasică sau cuantică. Teorema lui Noether este legată de proprietățile globale ale spațiului și timpului. Aceasta este o teoremă universală.

Și dacă da, atunci momentul rotativ al rotației există și în mecanica clasică, cel puțin teoretic. Într-adevăr, se poate construi teoretic un model de spin în mecanica clasică. Indiferent dacă acest model implementează un spin în practică în orice macro-sistem, este o altă întrebare.

Să ne uităm la rotația clasică obișnuită. Lupta imediat este faptul că există rotații asociate cu transferul centrului de masă și fără transferul centrului de masă. De exemplu, atunci când Pământul se rotește în jurul Soarelui, atunci masa Pământului este transferată, deoarece axa acestei rotații nu trece prin centrul masei Pământului. În acel moment, ca și rotația Pământului în jurul axei sale, centrul de masă al Pământului nu se mișcă nicăieri.

Cu toate acestea, pe măsură ce Pământul se rotește în jurul axei sale, masa Pamântului se mișcă încă. Dar foarte interesant. Dacă selectați orice spațiu în interiorul Pământului, atunci masa din acest volum nu se schimbă în timp. Deoarece câtă masă lasă acest volum pe unitatea de timp, pe de o parte, așa cum vin multe mase pe de altă parte. Se pare că, în cazul rotației Pământului în jurul axei sale, avem de-a face cu un flux de masă.

Un alt exemplu de flux de masă în mecanica clasică este fluxul circular de apă (o pâlnie în baie, amestecarea zahărului într-un pahar cu ceai) și fluxurile circulare de aer (vânt, taifun, ciclon etc.). Cât de mult aer sau apă părăsește volumul alocat pe unitatea de timp, cât mai mult. Prin urmare, masa volumului alocat nu se modifică în timp.

Și acum să vedem cum ar trebui să arate mișcarea de rotație, în care nu există nici măcar un flux de masă, dar există un moment de rotație. Imaginați-vă un pahar de apă. Fie ca fiecare moleculă de apă din acest geam să se rotească în sensul acelor de ceasornic în jurul unei axe verticale care trece prin centrul de masă al moleculei. Aici este o rotație ordonată a tuturor moleculelor de apă.

Este clar că fiecare moleculă de apă din sticlă va avea un cuplu diferit de zero. În acest caz, momentele de rotație ale tuturor moleculelor sunt direcționate în aceeași direcție. Aceasta înseamnă că aceste cupluri sunt însumate unul cu celălalt. Și această cantitate va fi momentul macroscopic al rotației apei din sticlă. (Într-o situație reală, toate momentele de rotație a moleculelor de apă sunt direcționate în direcții diferite și sumarea lor dă un cuplu total de rotație zero a rotației tuturor apei din sticlă.)

Astfel, ajungem ca centrul de masă a apei din sticlă să nu se rotească în jurul valorii de ceva, și nu există nici un flux circular de apă în sticlă. Iar cuplul este disponibil. Acesta este un analog al rotației în mecanica clasică.

Adevărat, acest lucru nu este încă destul de "echitabil" spin. Avem fluxuri de masă locale asociate cu rotația fiecărei molecule de apă individuale. Dar aceasta este depășită printr-o tranziție limitantă, în care numărul de molecule de apă dintr-un pahar tinde spre infinit și masa fiecărei molecule de apă tinde la zero, astfel încât densitatea apei să rămână constantă în timpul acestei tranziții limitative. Este clar că, cu o astfel de tranziție limitativă, viteza unghiulară de rotație a moleculelor rămâne constantă, iar momentul total al rotației apei rămâne constant. În limita, constatăm că acest moment de rotație a apei într-un pahar are o natură pură.

Momentul de cuantificare

În mecanica cuantică, caracteristicile corpului care pot fi transferate de la un corp la altul pot fi cuantizate. Poziția de bază a mecanicii cuantice prevede că aceste caracteristici pot fi transferate de la un corp la altul, nu în orice cantitate, ci numai în multipli de o anumită cantitate minimă. Această sumă minimă este numită cuantum. Cuantic în latină înseamnă doar cantitate, porțiune.

Prin urmare, știința care studiază toate consecințele unui astfel de transfer de caracteristici se numește fizică cuantică. (Nu trebuie confundat cu mecanica cuantica! Mecanica cuantica, acesta este un model matematic al fizicii cuantice.)

Creatorul fizicii cuantice, Max Planck, a crezut că doar o astfel de caracteristică ca energia este transferată de la corp la corp proporțional cu întregul număr de quanta. Acest lucru la ajutat pe Planck să explice una dintre misterele fizicii de la sfârșitul secolului al XIX-lea, și anume, de ce toate trupurile nu-și dau toată energia pe câmpuri. Faptul este că domeniile au un număr infinit de grade de libertate, iar organismele au un număr limitat de grade de libertate. În conformitate cu legea privind distribuția egală a energiei în toate gradele de libertate, toate organismele ar trebui să-și dea toată energia pe terenurile pe care nu le respectăm.

Ulterior, Niels Bohr a rezolvat cel de-al doilea cel mai mare puzzle al fizicii de la sfârșitul secolului al XIX-lea, și anume, de ce toți atomii sunt aceiași. De exemplu, de ce nu există atomi mari de hidrogen și atomi de hidrogen mici, de ce razele tuturor atomilor de hidrogen sunt aceleași. Sa dovedit că această problemă este rezolvată, dacă presupunem că nu numai energia este cuantizată, dar și cuplul este cuplat. Și, prin urmare, rotația poate fi transferată de la un corp la altul, nu în orice cantitate, ci numai proporțional cu cuantumul minim de rotație.

Cuantificarea momentului de rotație este foarte diferită de cuantificarea energiei. Energia este un scalar. Prin urmare, o cantitate de energie este întotdeauna pozitivă și un corp poate avea doar o energie pozitivă, adică un număr pozitiv de canale de energie. Canturile de rotație în jurul unei anumite axe sunt de două tipuri. Rotirea în sensul acelor de ceasornic quantum și rotația în sens invers acelor de ceasornic. În consecință, dacă alegeți o altă axă de rotație, atunci există și două rotații cuantice, în sensul acelor de ceasornic și în sens contrar acelor de ceasornic.

Situația este similară atunci când se cuantifică un impuls. Un cuantum pozitiv al unui impuls sau al unui cuantum negativ al unui impuls poate fi transmis de-a lungul unei anumite axe corpului. Când se cuantifică o încărcătură, se obțin și două cuante, pozitive și negative, dar acestea sunt cantități scalare, nu au nici o direcție.

Spinarea particulelor elementare

În mecanica cuantică, este o practică obișnuită de a numi propriile momente de rotire a particulelor elementare. Momentul de rotație a particulelor elementare este foarte convenabil de măsurat în cuantumul minim de rotație. Deci, ei spun că, de exemplu, rotirea unui foton de-a lungul axei este astfel și astfel (+1). Aceasta înseamnă că acest foton are un cuplu egal cu o rotație cuantică în sensul acelor de ceasornic față de axa selectată. Sau spun ca spinul electronului de-a lungul axei este ceva de genul (-1/2). Aceasta înseamnă că pentru acest electron cuplul este egal cu jumătate din cuantumul de rotație în sens invers acelor de ceasornic față de axa selectată.

Uneori confuzează unii oameni de ce fermionele (electronii, protonii, neutronii etc.) au cante la jumătate de rotație spre deosebire de bosoni (fotoni, etc.). De fapt, mecanica cuantică nu spune nimic despre cât de multă rotație poate avea un corp. Vorbește doar despre cantitatea în care această rotație poate fi transferată de la un organism la altul.

Situația cu jumătăți de quanta se întâlnește nu numai în cuantizarea rotației. De exemplu, dacă rezolvăm ecuația Schrödinger pentru un oscilator liniar, se pare că energia unui oscilator liniar este întotdeauna egală cu o valoare jumătate întreagă a cuantitelor de energie. Prin urmare, dacă un oscilator liniar are canale de energie, atunci în cele din urmă, oscilatorul va avea doar jumătate din cuantumul de energie. Și această jumătate din cuantumul energiei nu poate fi îndepărtată de oscilator, deoarece numai întreaga cantitate de energie poate fi luată, nu jumătate din ea. Oscilatorul liniar păstrează aceste jumătăți de energie ca o oscilație zero. (Aceste oscilații zero nu sunt atât de mici. În heliul lichid, energia lor este mai mare decât energia de cristalizare a heliului și, prin urmare, heliul nu poate forma o latură de cristal chiar la temperatura absolută zero.

Transferul de rotație a particulelor elementare

Să vedem cum sunt transmise cuplurile proprii ale particulelor elementare. De exemplu, permiteți unui electron să se rotească în sensul acelor de ceasornic în jurul unei anumite axe (rotirea este egală cu +1/2). Și permiteți-i să dea, de exemplu, unui foton în timpul interacțiunilor electron-foton, un cuantum de rotație în sensul acelor de ceasornic în jurul aceleiași axe. Apoi rotația electronului devine (+1/2) - (+ 1) = (- 1/2), adică electronul începe pur și simplu să se rotească în jurul aceleiași axe, dar în direcția opusă în sens contrar acelor de ceasornic. Astfel, deși electronul avea o jumătate de cuantum de rotație în sensul acelor de ceasornic, dar totuși este posibil să se ia de la el o întreagă cuantum de rotație în sensul acelor de ceasornic.

Dacă fotonul înainte de interacțiunea cu electronul avea o rotație pe aceeași axă este (-1), adică este egal cu o rotație în sens invers acelor de ceasornic, atunci după interacțiune spinul a devenit (-1) + (+ 1) = 0. Dacă rotația pe această axă a fost inițial zero, adică fotonul nu sa rotit în jurul acestei axe, atunci după interacțiunea cu electronul, fotonul, care a primit un cuantum de rotație în sensul acelor de ceasornic, va începe să se rotească în sensul acelor de ceasornic cu valoarea unei cuante de rotație: 0 + ) = (+ 1).

Deci, se dovedește că fermiunile și bosoanele sunt diferite unul de celălalt și de faptul că rotația proprie a bosonilor poate fi oprită, iar rotația proprie a fermionilor nu poate fi stabilită. Fermion va avea întotdeauna un cuplu diferit de zero.

Un astfel de boson, de exemplu, un foton, poate avea două stări: absența totală a rotației (rotația față de orice axă este 0) și starea de rotație. În starea de rotație a fotonului, magnitudinea rotației sale pe orice axă poate avea trei valori: (-1) sau 0 sau (+1). O valoare zero în starea de rotație a fotonului indică faptul că fotonul se rotește perpendicular pe axa selectată și, prin urmare, nu există o proiecție a vectorului de cuplu pe axa selectată. Dacă axa este aleasă diferit, atunci va exista o rotire sau (+1) sau (-1). Este necesar să se facă distincția între aceste două situații în foton, atunci când nu există nicio rotație și atunci când există o rotație, dar nu merge în jurul axei selectate.

Apropo, spinul foton are un analog foarte simplu în electrodinamica clasică. Aceasta este rotația planului de polarizare al undei electromagnetice.

Restricție la valoarea rotației maxime a particulelor elementare

Foarte misterios este faptul că nu putem crește momentul rotirii particulelor elementare. De exemplu, dacă un electron are o rotație (+1/2), atunci nu mai putem da acest electron încă rotație în sensul acelor de ceasornic: (+1/2) + (+ 1) = (+ 3/2). Putem schimba doar rotația electronului în sensul acelor de ceasornic și în sens contrar acelor de ceasornic. De asemenea, nu putem face rotația egală, de exemplu, (+2) pentru foton.

În același timp, particulele elementare mai masive pot avea mai multe valori ale momentului de rotație. De exemplu, particula omega-minus are un spin egal cu 3/2. Pe axa selectată, această rotire poate lua valorile: (-3/2), (-1/2), (+1/2) și (+3/2). Deci, dacă o particulă de omega-minus are o rotație (-1/2), adică se rotește în sens invers acelor de ceasornic pe o anumită axă cu jumătate din cuantumul de rotație, atunci poate absorbi un alt cuantum de rotație în sens antiorar (-1) de-a lungul acestei axe va fi (-1/2) + (- 1) = (- 3/2).

Cu cât masa corpului este mai mare, cu atât este mai mare spinarea. Acest lucru poate fi înțeles dacă ne întoarcem la centrifuga noastră clasică.

Când avem de-a face cu un flux de masă, putem crește cuplul până la infinit. De exemplu, dacă se desface o minge uniformă solidă în jurul unei axe care trece prin centrul ei de masă, atunci când viteza liniară de rotație la "ecuator" se apropie de viteza luminii, vom începe să arătăm un efect relativist de creștere a masei mingii. Și, deși raza mingii nu se schimbă și viteza liniară de rotație nu crește peste viteza luminii, totuși, momentul rotației crește fără sfârșit datorită creșterii infinite a greutății corporale.

Și în analogul clasic al rotației, acest efect nu există dacă facem o tranziție limită "cinstită", reducând masa fiecărei molecule de apă într-un pahar. Se poate demonstra că într-un astfel de model de spin clasic există o valoare limită a momentului de rotație a apei într-un pahar, atunci când nu mai este posibilă absorbția ulterioară a momentului de rotație.

Ce se întoarce

Spin (de spin engleză -. Twirl [-sya] de rotație) - momentului cinetic propriu al particulelor elementare care au o natură cuantică și nu sunt asociate cu mișcarea particulei în ansamblu. Spinul este numit și impulsul angular intrinsec al unui nucleu sau atom atomic; În acest caz, spinul se determină ca suma vectorială (calculat în conformitate cu regulile de puncte de adiție în mecanica cuantică) se rotește de particule elementare care formează sistemul, și momentele orbitale ale acestor particule datorită mișcării lor în cadrul sistemului.

Centrifugarea se măsoară în unități de H (redus constanta Planck sau constanta Dirac) și este egal cu unde J - caracteristic pentru fiecare tip de particule întregi (inclusiv zero) sau o jumătate de număr pozitiv - așa-numitul număr cuantic de spin, care este în general denumit învârti pur și simplu (unul dintre numere cuantice).

În acest sens, vorbesc despre o particulă întregă sau jumătate întregă înapoi.

Existența unui spin în sistemul de particule interacțioase identice este cauza unui nou fenomen mecanic cuantic, care nu are analogie în mecanica clasică: interacțiunea de schimb.

Conținutul

Spin proprietăți

Orice particulă poate avea două tipuri de impulsuri unghiulare: un moment orbital orbital și spin.

Spre deosebire de momentul cinetic orbital, care este generat de mișcarea particulelor în spațiu, spin nu este asociat cu mișcarea în spațiu. Spinul este o caracteristică internă, exclusiv cuantică, care nu poate fi explicată în cadrul mecanicii relativiste. Dacă reprezintă particula (de exemplu, de electroni), ca o minge de rotație, și ca un moment de spin datorită rotației, se constată că viteza transversală a mișcării particulelor învelișului ar trebui să fie mai mare decât viteza luminii, ceea ce este inacceptabil din punct de vedere al relativității.

Ca una dintre manifestările momentului cinetic, mecanicii cuantice de spin este descrisă de către operatorul vector de spin componentă algebra, care coincide cu momentul cinetic operatorilor de algebra orbital, cu toate acestea, spre deosebire de momentul cinetic orbital, operatorul de spin nu este exprimată în termeni de variabile clasice, cu alte cuvinte, aceasta este doar o valoare cuantică. Consecința acestui fapt este faptul că spin (și proiecția acesteia pe orice axă) își poate asuma nu numai integral, dar valorile pe jumătate întregi (în unități de constanta Dirac H).

exemple

Mai jos sunt spatele unor microparticule.

Începând cu iulie 2004, rezonanța barionului Δ (2950) cu spin 15/2 are o rotație maximă între particulele elementare cunoscute. Miezurile de rotire pot depăși 20

poveste

În 1921, experimentul Stern-Gerlach a confirmat prezența spinului pe atomi și a faptului de cuantizare spațială a direcției momentelor lor magnetice.

In 1924, chiar înainte de formularea exactă a mecanicii cuantice, Wolfgang Pauli a introdus un nou grade interne, două părți de libertate pentru a descrie electroni de valență în metale alcaline. În 1927, el modifică ecuația Schrödinger descoperită recent pentru a explica variabila spin. Ecuația astfel modificată este numită acum ecuația Pauli. In aceasta descriere a electronului are o nouă porțiune de spin a funcției de undă, care este descris de un Spinor - „vector“ în abstract (adică nu sunt legate direct de obicei) spațiu de spin bidimensional.

În 1928, Paul Dirac construiește o teorie relativistă a spinului și introduce o cantitate de patru componente, bispinorul.

Din punct de vedere matematic, teoria spinului sa dovedit a fi foarte transparentă, și mai târziu, prin analogie cu aceasta, a fost construită teoria izospinului.

Spin și moment magnetic

În ciuda faptului că spinul nu este asociat cu rotația reală a particulelor, cu toate acestea, dă naștere la un anumit moment magnetic și, prin urmare, conduce la o suplimentare (în comparație cu electrodinamicii clasice), interacțiunea cu câmpul magnetic. Raportul dintre momentul magnetic la magnitudinea spin este numit un raport giromagnetic, și, în contrast cu momentul cinetic orbital, nu este magneton egal ():

Factorul g introdus aici este numit factorul g al particulei; Valorile acestui factor g pentru diferite particule elementare sunt studiate activ în fizica particulelor elementare.

Spin și statistici

Deoarece toate particulele elementare de același tip sunt identice, funcția de undă a unui sistem de mai multe particule identice ar trebui să fie simetrice (adică, nu se schimbă) sau antisymmetrical (înmulțit cu -1) în ceea ce privește rearanja oricare două particule. În primul caz, se spune că particulele se supun statisticilor lui Bose-Einstein și se numesc bosoni. În cel de-al doilea caz, particulele sunt descrise de statisticile Fermi-Dirac și se numesc fermioane.

Se pare că valoarea spinului unei particule indică ce vor avea aceste proprietăți de simetrie. Formulată Wolfgang Pauli în 1940 comunicarea godu teorema cu statistici de spin susține că particula de spin cu întreg (s = 0, 1, 2,...) sunt bosoni, iar particulele cu un spin pe jumătate integral (s = 1/2, 3/2,... ) - fermioane.

Generalizarea înapoi

Introducerea spinului a fost o aplicație reușită a unei noi idei fizice: postularea faptului că există un spațiu de stat care nu este în niciun fel legat de mișcarea unei particule în spațiul obișnuit. Generalizarea acestei idei în fizica nucleară a condus la conceptul de spin izotopic, care funcționează într-un spațiu isospin special. Mai târziu, în descrierea interacțiunilor puternice, au fost introduse spațiul intern de culoare și numărul "cuantumului" cuantic, un analog mai complex al rotației.

Sistemul clasic de centrifugare

Conceptul de spin a fost introdus în teoria cuantică. Totuși, în mecanica relativistă putem defini spinul unui sistem clasic (nu quantum) ca un moment angular intrinsec [1]. Spinul clasic este un vector 4 și este definit după cum urmează:

  • - tensorul impulsului total angular al sistemului (suma este efectuată asupra tuturor particulelor sistemului);
  • - totalitatea a 4 viteze a sistemului, determinată prin utilizarea totală a 4 pulsuri și a masei sistemului M;
  • - Tensorul Levi-Civita.

Prin antisimetrie tensorul Levi-Civita, vector 4-rotire este întotdeauna perpendiculară pe 4 trepte de viteză, în cadrul de referință, în care impulsul total al sistemului este zero, spinul spațiale coincide cu vectorul momentului unghiular, o componentă de timp egală cu zero.

Acesta este motivul pentru care spinul este numit impuls intrinsec unghiular.

În teoria câmpului cuantic, această definiție a spinului este păstrată. Integalele mișcării câmpului corespunzător acționează ca un moment unghiular și impuls total. Ca urmare a procedurii de cuantizare secundară, vectorul 4 al rotației devine un operator cu valori proprii discrete.

Vezi de asemenea

  • Precesiunea lui Thomas
  • Spin-orbită de interacțiune
  • Transformarea Holstein-Primakov

notițe

  1. ↑ Weinberg S. Gravitatea și cosmologia. - M.: Mir, 1975.

literatură

  • Enciclopedie fizică. Ed. A. M. Prokhorov. - M.: "Marea encyclopedie rusă", 1994. - ISBN 5-85270-087-8.

Articole

  • Fizicienii au împărțit electronii în două cvasi-particule. Un grup de oameni de știință de la universitățile din Cambridge și Birmingham au înregistrat fenomenul de separare a spinului (spinon) și a încărcării (holon) în conductoare ultrascurte.
  • Fizicienii au împărțit electronii în spinon și orbiton. Un grup de oameni de știință de la Institutul German pentru Materie Condensată și Materiale (IFW) au obținut separarea unui electron în orbiton și spinon.

Wikimedia Foundation. 2010.

Vedeți ce este "Spin" în alte dicționare:

SPIN este impulsul intrinsec unghiular al unei particule elementare sau al unui sistem format din aceste particule, de exemplu. nucleul atomic. Spinul unei particule nu este legat de mișcarea sa în spațiu și nu poate fi explicat din punctul de vedere al fizicii clasice, ci datorită cuantumului...... Enciclopedia mare de politehnică

spin - a; m. [Engl. spin rotație] Phys. Momentul angular intrinsec al unei particule elementare, nucleul atomic, este inerent în ele și determină proprietățile lor cuantice. * * * spin (rotire engleză, literalmente rotație), propriul moment de impuls...... dicționar encyclopedic

Spin - Spin. Momentul de centrifugare inerent, de exemplu, protonul, poate fi vizualizat prin legarea lui cu mișcarea de rotație a particulei. SPIN (rotație în engleză, rotație literală), propriul moment al impulsului unei microparticule, cu un cuantum...... Dicționar encyclopedic ilustrat

SPIN - (desemnări), în QUANTUM MECHANICS propriul moment angular inerent în unele PARAMETRI ELEMENTARE, atomi și nuclee. Spinarea poate fi considerată ca o rotire a unei particule în jurul axei sale. Spinul este unul dintre numerele cuantice, prin intermediul dicționarului encyclopedic științific și tehnic

SPIN - spinul englez, rotația literală), impulsul intrinsec unghiular al unei microparticule, care are o natură cuantică și nu este asociat cu mișcarea unei particule ca întreg. Se măsoară în unități ale constantei Planck h și poate fi întreg (0, 1, 2) sau...... Enciclopedie modernă

SPIN - (din limba engleză, spin spin, spin), propriul moment al mișcării elementelor. h c, având un cuantum. natură și nu sunt legate de mișcarea circuitului în ansamblu. S., de asemenea, numit propriu. moment de mișcare la. nucleu (și uneori un atom); în acest caz C... Enciclopedia fizică

Nikolai Spinev - Nikolai Spinev, Nikolai premii sportive Jocurile Olimpice de vaslit Aur 2004 Atena cvartet Nikolai Nikolai Spinev (născut la 30 mai 1974, Rostov-pe-Don.) Atlet rus, campion olimpic... Wikipedia

(. Engleză de spin de spin) - Spin propriul impuls unghiular mecanică a unei mișcări particulelor elementare (electroni, protoni, neutroni) sau nucleu atomic, întotdeauna inerente în acest tip de particule, care determină proprietățile lor și datorită naturii lor cuantice;...... Dicționar de cuvinte străine în limba rusă

spin - moment, rotație Dicționar de sinonime ruse. spin n., număr de sinonime: 2 • rotație (15) • moment... Dicționar de sinonime

SPIN - Momentul impulsului unei microparticule, care are o natură cuantică și nu este asociat cu mișcarea particulei în ansamblu; măsurat în unitățile de plante ale lui Planck. și poate fi întreg (0, 1, 2) sau jumătate întregă...... Dicționar encyclopedic mare

spin - spin, un (fizic)... Dicționar de ortografie rus

# lectură materie | Ce este spinul?

După ce am dat seama ce este absolut zero și dacă este posibil să recuperezi informațiile pe care o găsea o gaură neagră, a apărut o altă întrebare interesantă pe ordinea de zi. Întrebarea este complexă, deoarece se află în domeniul fizicii cuantice. Suna asa:

- Ce dracu eo spinare?

Ce spate?

Dacă credeți că expresia a fost superfluă, vă greșiți. Spinul este unul din acele lucruri ciudate în mecanica cuantică, încercând să înțelegeți care, credeți, acea intuiție și experiența vieții personale vă vor ajuta. Dar nu este. Dimpotrivă, intuiția ta este mai probabil să cadă pe genunchi în fața ta. Încearcă să nu ai încredere în ea.

Pentru început, toate particulele au o rotație fundamentală. Spin - "axa" din spinul englezesc. La fel ca o încărcătură electrică sau o masă, centrifuga ajută la determinarea tipului de particule.

Unele particule, cum ar fi electronii, positronii și quark-urile (protonii și neutronii sunt alcătuite din cuarci, și particule fundamentale ale modelului standard), au spin ½. Ele sunt cunoscute sub numele de "fermioane". Alții, fotoni, gluoni și, de asemenea, particulele W și Z au spin 1. Ele sunt cunoscute sub numele de "bosoni". Evident, fermionii și bosoanele se comportă diferit.

Dacă tot acest timp ați dat din cap în acord, o voce subțire în capul tău probabil a spus ceva de genul "jumătate de spin din ce?". Este demn de remarcat faptul că vocea interioară ar trebui să fie ascultată într-un mod amiabil, așa că hai să vorbim despre modul în care funcționează spinul electronilor.

Este ca un giroscop mic, dar nu destul.

De ce electroni? Pentru că dacă înțelegeți ce este spinul electronilor, orice altceva va fi simplu. Încercați să vă imaginați că electronul este un giroscop mic. Se rotește și se rotește fără oprire. Indiferent de ce faceți cu el, nu puteți încetini sau accelera rotația electronului; vă puteți schimba poziția.

Orice ai face, electronul va avea întotdeauna spin ½. Dar ½ din ce? Numerele, numite "constanta lui Planck reduse". Acesta este un număr foarte mic. Foarte.

Aici aveți primul fapt ciudat. De obicei, puteți încetini corpul rotativ. Superman a reușit să oprească rotația Pământului, de exemplu.

Pe de altă parte, avem de-a face cu un giroscop rotativ mic. Momentul unghiular este una dintre acele valori constante care îi fac pe fizicienii nebuni. Când direcția de rotație a electronului se schimbă, impulsul angular este transmis oriunde - de la orbită la alt electron.

Deoarece electronul are o încărcătură, și deoarece se "rotește de-a lungul unei axe", creează un câmp magnetic mic. Acesta este modul în care funcționează orice electromagnet. Putem detecta câmpul magnetic al unui electron sau respingem electronii individuali folosind alți magneți pentru a afla în ce direcție se rotește electronul. Dar...

Câmpul magnetic nu funcționează deloc.

Luați o mică minge încărcată și rotiți-o în jurul axei. Veți crea un magnet. Indiferent de cât de mare sau mică este mingea, se pare că câmpul magnetic va fi prezis cu precizie printr-un impuls multiplu unghiular. Există o mulțime de constante asociate încărcăturii și masei mingii, dar nu cu dimensiunea.

Problema este că, dacă vă imaginați un electron în același mod, procedura descrisă mai sus nu se va derula deloc. Câmpul magnetic va fi de două ori mai mare. Mai exact, de 2,0023193044 de ori. Acest număr este măsurat cu un nivel de precizie și calculat teoretic. Această nenorocită "teorie a câmpului cuantic" intră în joc, pentru că putem face unele previziuni exacte.

Faptul ciudat numărul doi: nu puteți, nu aveți dreptul să vă gândiți la un electron ca o sferă mică, încărcată microscopic. Dă-i numerele greșite.

Spinul unui electron determină întâmplări.

Deși electronii au o rotație fixă, puteți presupune că componentele spinului într-o anumită direcție pot lua orice valoare veche pe care ne-o plac. Gândiți-vă la următorul exemplu. Să presupunem că am un baston de metri (lungime de 1 metru), un capăt blocat în sol la un unghi. Puteți măsura înălțimea de la capătul de sus la sol și, în funcție de unghi, obțineți o valoare cuprinsă între 0 și 1 metru.

Știți că Pământul se rotește, dar dacă ați văzut vreodată un glob, știți că el este înclinat undeva la un unghi de 23 grade și jumătate față de planul orbitei. Cu alte cuvinte, dacă măsurați "axa" (sau rotirea) Pământului de sus în jos, veți obține mai puțin decât întreaga lungime a axei. Axa apare puțin liberă de la o parte la alta.

Nu funcționează cu electronii. Dacă ați creat un câmp magnetic mic pentru a distinge între ele, veți afla că un singur electron se rotește în 100% din cazuri și se rotește în 100% din cazuri, în funcție de caz, și niciodată între. Ce este mai ciudat, nu contează cum vă potriviți echipamentul dvs. de măsurare, veți ajunge întotdeauna la același rezultat inițial: fie una, fie alta, nici oa treia nu este dată.

Și aici avem al treilea fapt ciudat. Să presupunem că măsurați un electron și aflați că are o rotație superioară. După ce încercați să măsurați rotirea de la stânga la dreapta. Bunul simț vă va spune că numărul va fi zero, deoarece știți că electronul se rotește de jos în sus, nu de la stânga la dreapta. Dar, după cum am menționat mai sus, bunul simț nu vă va ajuta. Se constată că: a) în jumătate din cazurile când măsurați un electron, acesta va fi "lăsat", în jumătate - "dreapta" și b) dreapta și stânga este determinată de aleatorie absolută. Este adevărat. Nimic din univers nu vă poate spune care parte alege să aleagă. Acest tip de accident a supărat pe Einstein (amintiți-vă de declarația sa că Dumnezeu nu joacă zaruri).

Trebuie să transformați electronul de două ori astfel încât să pară "înainte"

În trecut, am vorbit de multe ori despre funcția de undă a particulelor. Pătratul funcției de undă vă va spune probabilitatea de a găsi o particulă într-un anumit loc la un moment dat. Ceea ce este remarcabil în electron (și în toate particulele cu spin ½) este că, dacă rotiți întregul univers cu 360 de grade, apare un semn minus la începutul funcției de undă.

Acesta este al patrulea fapt ciudat. Trebuie să dublezi rotația electronului în jurul axei și va arăta la fel ca la început.

Se pare că nu este ciudat. În cele din urmă, de ce vă faceți griji cu privire la funcția val, dacă semnul minus nu face nimic. -2 pătrat = 2 pătrat.

Același efect va apărea dacă vă imaginați că înlocuiți un electron cu altul. Nimic nu se schimbă, doar un semn minus apare în fața întregii funcții de undă. Pare nesemnificativ, până când îți dai seama că...

Semnul minus este ceea ce te face posibila.

Imaginați-vă doi electroni care se rotesc într-o direcție, una și cealaltă în sus (experții trebuie, de asemenea, să înțeleagă că cei doi electroni au același impuls). Acum hai să le schimbăm. Nimic nu sa schimbat pentru noi, dar în mecanica cuantică întregul univers a căzut în haos. Funcția de undă nu pare să se fi schimbat, deoarece nu există diferențe semnificative între un electron și altul, dar într-un fel sau altul, am pus un semn minus la început.

Încă o dată: nimic nu se schimbă, dar se înmulțește cu -1. Singurul număr care funcționează cu acesta este 0. Cu alte cuvinte, funcția val de zero este egală cu probabilitatea zero sau nici o șansă deloc.

Un alt mod de a spune acest lucru: electronii (și toate fermiunile: quarks, pozitroni, neutrini etc.) nu pot fi în același loc cu același spin. Aceasta este renumitul "interdicție Pauli". El prezice că electronii din atomi nu pot fi în aceeași stare, dar împreună ei ocupă orbite diferite. Dacă totul nu ar fi fost așa, electronii ar ocupa cele mai joase nivele, iar elementele s-ar comporta ca hidrogenul plictisitor. Plictisit și nu conduce la nașterea vieții.

Bosonii, un tip diferit de particule, nu funcționează pe acest principiu. Schimbați cele două bosoane și nimic nu se va schimba. Rotiți bosonul odată și totul va reveni la normal. Ei au o rotație egală cu una, ceea ce înseamnă doar că ei se comportă exact așa cum vă așteptați. Dar acestea sunt doar bosoanele găsite astăzi. Bozonul Higgs (dacă există) are spin 0, gravitonul (dacă există) are spin 2, dar pentru moment nu putem vorbi despre ele. Bosonii pot fi în același loc și au aceeași rotire. De aceea putem obține condensul Bose-Einstein, care este o grămadă de bosoni într-o singură stare.

"Trucul" nu este că spinul este un lucru ciudat, deși nimeni nu susține acest lucru. "Trucul" este că spinul se află în centrul mult mai multor lucruri serioase și fundamentale, în centrul muncii lor decât ați putea bănui.