Ce este spinul unei particule?

[Adi]

Pe scurt, Pamantul se invarte in jurul axei sale si miscarea aceasta de revolutie se numeste in engleza "spin". Vine chiar de la "to spin", care inseamna a se roti in jurul unei axe, asa cum face fuiorul pentru facut fire.

In lumea cuantica, fiecare particula are niste numere care o caracterizeaza, ele numindu-se numere cuantice. Unul din ele este sarcina electrica, de exemplu. Un altul este spinul. Si mai sunt si alte numere, dar nu e necesar sa le amintim acum. Ei bine, analogia grosolana si imperfecta este ca electronul se invarte in jurul axei sale (spin) si in jurul nucleului, tot asa precum si Pamantul se invarte in jurul axei sale si in jurul Soarelui. Totusi, electronul se invarte chiar si cand sta pe loc. Adica daca ai avea Pamantul singur in Univers, ti-l poti imagina ca sta pe loc, fara se se roteasca in jurul unui corp si fara sa se invarta in jurul axei sale. Totusi, electronul se invarte mereu in jurul axei sale, nu poate fi niciodata in repaus. Atunci spinul sau nu este zero, ci o valoare nenula.

Acum, analogia este imperfecta, am spus. De ce? Pentru ca daca electronul este intr-adevar un punct, asa cum credem noi in fizica particulelor acum (caci am marit cat am putut noi si electronul tot punct ne apare), atunci cum se poate roti un punct in jurul unei axe?

Multe notiuni din cuantica sunt contra-intuitive, fara analogii directe in lumea noastra de zi cu zi. Asadar, pe scurt, spinul este acel numar nenul atribuit fiecarei particule punct astfel incat fiecare punct pare ca se roteste mereu in jurul unei axe!

Toate particulele pe care le stim au spin nenul, particulele de materie precum electronii, muonii, neutrinii, cuarcii au spin 1/2 in anumite unitati de masura, iar particulele care mediaza interactiunile intre particulele de materie (fotonul, bozonul W, bozonul Z, gluonii) au spin 1 in aceleasi unitati de masura. Nu s-a descoperit nici o particula care sa aiba spin zero.

Insa bozonul Higgs, daca exista, are spin zero. Vidul are de asemenea spin zero. E si normal ca bozonul Higgs sa aiba acelasi spin ca vidul, adica zero, pentru ca vidul nu se roteste in jurul axei sale si bozonii Higgs sunt peste tot in Univers (daca exista si teoria e corecta) si particulele se ciconesc cu bozonii Higgs cand merg prin spatiu, adica cand se deplaseaza in vid.

Sper ca este un pic mai clar acum, intrebari noi sunt binevenite ..
Cu bine,
Adi

[raul]

multumec mult pt raspunsul detaliat....insa mai am o neclaritate: particulele cu spin 1 (gluonii , fotonii) se rotesc in jurul axei sale de 2 ori mai repede decat cele cu spin 1/2 (electronii) ?am inteles bine?

[Adi]

Cum analogia intre spin si rotatie este incompleta, iar lucrurile in universul cuantic sunt neintuitive in mare parte, nu pot sa spun daca este corecta analogia ta. Dar ca si o continuare a analogiei de mai sus, asa ar parea, ca particulele cu un spin mai mare se rotesc mai repede in jurul axei sale decat cele cu un spin mai mic. Gravitonul, daca exista, se pare ca are spin doi. Deci s-ar roti si mai repede? Cum ziceam, analogia e imperfecta, dar asa ne putem face o idee totusi de ce reprezinta spinul ...

[Krystyan]

       Gasesc foarte folositoare explicatia asta in dorinta mea de a intelege cat mai bine existenta. Multumesc Adi. Desi nu intelegeam ce este spinul, nu-mi dau seama cum de nu am intrebat. Asadar,

Cum analogia intre spin si rotatie este incompleta, iar lucrurile in universul cuantic sunt neintuitive in mare parte, nu pot sa spun daca este corecta analogia ta. Dar ca si o continuare a analogiei de mai sus, asa ar parea, ca particulele cu un spin mai mare se rotesc mai repede in jurul axei sale decat cele cu un spin mai mic. Gravitonul, daca exista, se pare ca are spin doi. Deci s-ar roti si mai repede? Cum ziceam, analogia e imperfecta, dar asa ne putem face o idee totusi de ce reprezinta spinul ...

Dar de la ce vine numarul spinului (1, 1/2, 2) ?  Este cumva numarul 1 un tipar fata de care s-au masurat particule cu alte spinuri si s-a ajuns la 1/2 sau 2? Daca da, la cate rotatii pe secunda corespunde 1? Dar 1/2 si 2? Am ales secunda dar stiu ca e imensa pt. timpul cuantic, "microscopic" , daca gasesti tu o unitate mai mica te rog s-o folosesti.

Acum, analogia este imperfecta, am spus. De ce? Pentru ca daca electronul este intr-adevar un punct, asa cum credem noi in fizica particulelor acum (caci am marit cat am putut noi si electronul tot punct ne apare), atunci cum se poate roti un punct in jurul unei axe?

     M-am gandit la ceva. Daca imaginam o axa pt. un punct trebuie sa acceptam ca punctul reprezinta o sectiune facuta prin aceea axa. Acuma, un punct se poate roti in jurul unei axe dar acea axa nu trebuie neaparat sa contina punctul. Punctul se poate roti pe o traiectorie circulara descriind o raza pana la axa. Iata cum un punct chiar se poate roti in jurul unei axe. Dar sigur, daca consideri ca electronul se roteste in jurul propriei axe ca si cum el ar sta pe loc, e mai greu de inteles. Eu sunt curios cum s-a ajuns la concluzia ca electronul (si celelalte particule) se rotesc in jurul propriei axe? 

[raul]

bune intrebari.........si eu astept un raspuns..

[Adi]

Buna Cristian, cum am spus mai sus, aceasta cu rotirea electronului in jurul unei axe este doar o analogie imperfecta. In realitate, noi credem ca electronul este un punct, asadar nu se poate roti in jurul axei sale. Dar daca ar avea dimensiune, am putea spune poate ca e mereu in rotire in jurul axei sale. Miscarea aceasta corespunzatoare planetei Pamant s-ar numi miscarea de revolutie (in jurul propriei axe) care duce la alternanta zi-noapte.

Daca insa punctul se roteste in jurul unei axe, sau in jurul altui punct, atunci aceasta corespunde miscarii electronului in jurul nucleului, sau miscarii Pamantului in jurul Soarelui. Poarta numele de miscare de rotatie (in jurul Soarelui) si duce la alternanta anotimpurilor.

In concluzie, nu putem spune ca electronul se invarte in jurul propriei axe si nu deci nu putem spune la ce viteza unghiulara de rotatie corespunde aceasta. Insa spinul are aceleasi unitati de masura ca si momentul cinetic de rotatie, iar numere 1/2, 1, 3/2, etc sunt exprimate in unitati de h barat (constanta lui Planck redusa).

Trebuie mecanica cuantica pentru a intelege lumea atomilor, tocmai pentru ca este contraintuitiva. Creierul nostru a fost dezvoltat pentru a supravietui, iar pentru supravietuire nu trebuia sa stie lumea atomilor cum functioneaza. Dar este un domeniu fascinant in sine si prin popularizare nu se poate merge mai mult decat am spus deja, cred, cel putin in domeniul spinului. Mai departe trebuie matematica fizicii cuantice.

[raul]

miscarea de rotatie e in jurul propriei axe, iar cea de revolutie a pamantului e in jurul soarelui, nu?

[Adi]

Eu stiam pe dos, dar ma documentez sa verific.

[Adi]

Da, ai dreptate, am spus pe dos. Miscarea de revolutie este in jurul Soarelui si miscarea de rotatie in jurul propriei axe. Asa spune Wikipedia in romana. http://ro.wikipedia.org/wiki/P%C4%83m%C3%A2nt

[HarapAlb]

mai sunt niste post-uri pe forum cu privire la spin:

in topicul despre Gravitoni

in noianul de postari la Intrebari

cel mai bine folositi functia de cautare, deja e greu sa retinem tot ce s-a discutat 

[ionut]

    Ca sa rezum putin ce a zis Adi, spinul unei particule este imaginat ca o rotatie a particulelor in jurul axei proprii datorita comportamentului similar pe care spinul il are cu momentul cinetic din mecanica clasica. Insa in mecanica clasica rotatia in jurul axei proprii presupune o extindere spatiala a obiectului ce se roteste pe cand in mecanica cuantica particulele elementare nu au aceasta extindere spatiala. De aceea stim ca aceasta imagine a spinului e gresita, dar ea este inca folosita din motive mai mult pedagogice.

[Adi]

Exact, Ionut a facut un sumar foarte clar.

[Krystyan]

caci am marit cat am putut noi si electronul tot punct ne apare

      Asta e cel mai interesant lucru pe care l-am aflat de cand sunt pe forumul asta. Intrebare: daca electronul apare mereu ca un punct oricat am incerca sa-l marim, cum s-au dedus toate proprietatile electronului?  Are vreo legatura spinul cu polarizarea luminii?

[Adi]

Toate particulele elementare ne apar ca si puncte, cu volum zero: electronul, muonul, tauonul, cei trei neutrini, cele sase tipuri de cuarci, bozonul W, bozonul Z, gluonii, fotonul, etc. Nu stiu exact sa popularizez cum s-a masurat spinul electronului, dar as zice ca prin defierea unui fascicul de electroni in camp magnetic, cand in loc sa se vada ca un fascicul devine o pata mare si raspandita, a creat doar doua pete, ducand la sugestia ca un electron are doar doua valori posibile pentru spin (cuantificare). Cum anume au masurat valoarea absoluta, nu stiu. Dar poate cei cu mecanica cuantica, precum HarapAlb, pot explica mai bine. Este foarte buna intrebarea ta.

[ionut]

caci am marit cat am putut noi si electronul tot punct ne apare

Asta e cel mai interesant lucru pe care l-am aflat de cand sunt pe forumul asta. Intrebare: daca electronul apare mereu ca un punct oricat am incerca sa-l marim, cum s-au dedus toate proprietatile electronului?  Are vreo legatura spinul cu polarizarea luminii?

Krystyan,
   Termenul de marire trebuie privit aici intr-un sens un pic mai general. Nu e vorba de o marire "ca la microscop" ci de o marire intr-un sens generalizat. Se stie ca dimensiunea detaliului cel mai mic care poate fi masurat de un "microscop" este de ordinul de marime a lungimii de unda a radiatiei care este folosita pentrua privi obiectul. De exemplu, daca folosim lumina din spectrul vizibil (microscop in sensul clasic al cuvantului) atunci cel mai mic detaliu pe care il putem distinge va fi undeva de ordinul 500 nm adica jumatate de micrometru. Daca se doreste observarea unor detalii si mai mici se folosesc microscoape cu electroni, difractii de raze X ... etc ... pana la acceleratoare de particule. Lungimile de unda de Broglie ale particulelor scad cu cresterea energiei ceea ce permite "observarea" de detalii din ce in ce mai mici. Astfel, cronologic, s-a observat ca atomul are o structura interna formata dintr-un nucleu dur si un invelis electronic (experimentele lui Rutherford) apoi folosind energii mai inalte s-a observat ca si nucleul este format din protoni si neutroni. Mai recent s-a descoperit ca particule precum protonii si neutronii nu sunt elementare ci au structura interna. In putin timp s-a elaborat modelul cuarcilor si a gluonilor. Chiar daca energiile s-au marit extrem de mult de la inceputul secolului XX si pana acum, electronul nu da semne ca ar avea structura interna, de aceea este considerat punctual.
    Spinul electronului a fost introdus pentru a se explica o serie de fapte experimentale inexplicabile intr-un alt mod. Bose, Dirac, Einstein, Fermi sunt fizicienii care au dat lumii faimoasele distributii statistice Fermi-Dirac si Bose-Einstein care se refera la densitatea de particule in spatiul fazelor. Distributia Fermi-Dirac se refera la fermioni (particule cu spin semi-intreg) iar Bose-Einstein se refera la bozoni (spin intreg). Fermionii si bozonii au o diferenta fundamentala. Doi fermioni nu pot avea acelasi set de numere cuantice intr-un anumit sistem pe cand bozonii pot. Din aranjamentul electronilor pe nivelele energetice din jurul nucleului se poate vedea ca electronii sunt fermioni.
  Exista un asa numit efect Zeeman care inseamna ca fiecare linie spectrala se despica in doua atunci cand un atom este plasat intr-un camp magnetic uniform ceea ce inseamna ca o anumita stare cuantica, excluzand spinul, are o degenerare 2 la aplicarea campului magnetic. Aceasta degenerare este data de spinul electronului care se pare ca are 2 proiectii. Cu ceva rationament cuantic se poate afla ca spinul electronului este 1/2, iar proiectiile sale posibile sunt +1/2 si -1/2. Numarul de proiectii (degenerarea) se poate afla dupa formula 2*S + 1, unde S este spinul. Nu stiu daca exact efectul Zeeman a fost folosit pentru masurarea spinului unui electron dar cel putin acest efect vine sa confirme spinul electronului.