Спин составных частиц. Ядерные реакции

(англ. spin – веретено) – фундаментальная характеристика микроскопической частицы (например атомного ядра или элементарной частицы), которая в некотором отношении аналогична «собственном момента импульса частицы». Спин является квантовой свойством частиц и не имеет аналогов в классической физике. Тогда как классический момент импульса возникает вследствие вращения массивного тела со конечными размерами, спин присущ даже частицам, которые на сегодня считаются точечными и не связан ни с одним вращением масс внутри такой частицы. (Спин неточкових частиц, например атомных ядер или адронов, является векторной суммой спинов и орбитального момента импульса ее составляющих, т.е. и в этом случае спин частично связан с вращательным движением внутри частицы.)
Спин может принимать только определенные (квантованные) значения:

Цели: 0,1,2,3 …
полуцелым: 1 / 2, 3 / 2, …

Спин является важной характеристокю элементарных частиц.
История открытия
Спин электрона открыли в 1925 Уленбек и Гоулдсмит, проводя эксперименты по расщеплению пучка электронов в неоднородном магнитном поле. Ученые надеялись увидеть, как пучок электронов расщепится на несколько, в залежнотсти от квантованного орбитального момента. Если бы угловой момент электронов равен нулю, то пучок не расщеплялся, если бы угловой момент равен , То пучок расщепился бы на три, и т.д., на 2L +1 пучки при угловом моменте . Результат превзошел все ожидания: пучок расщепился на два. Объяснить это можно было лишь приписав электрону собственный момент . Этот собственный момент электрона получил название спина. Сначала думали, что спин соответствует какому-то внутреннему вращению электрона, но вскоре Поль Дирак вывел релятивистский аналог уравнения Шредингера (так называемое уравнение Дирака), которое автоматически объясняло существование спина совсем из других принципов.
Понятие спина позволило построить теорию периодической системы, выяснить структуру атомных спектров, объяснить природу ковалентных связей, т.
Оператор спина
Математически спин описывают Спинор – столбиком с 2S +1 волновых функций, где S – это значение спина. Так частицы с нулевым спином описывают одной волновой функцией или скалярным полем, частицы со спином 1 / 2 (например электроны) – двумя волнового функциями или спинорно полем, частицы со спином 1 – тремя волновыми функциями или векторным полем.
Операторами спина являются матрицы размерности (2S +1) x (2S +1). В случае частиц со спином 1 / 2 оператор спина пропорционален матрицам Паули

Поскольку матрицы Паулу не коммутируют, то одновременно можно определить только собственные значения одной из них. Обычно выбирают? z. Следовательно, проекция спина на ось z для электрона может иметь следующие значения.

О состоянии с часто говорят, как о состоянии со спином направленным вверх, о состоянии с говорят, как о состоянии со спином, направленным вниз, хотя эти названия вполне условны, и не соответствуют никаким направлениям в пространстве.
Значения других компонент спина являются неопределенными.

) и равен где J - характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число - так называемое спиновое квантовое число , которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел).

В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы.

Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантовомеханического явления, не имеющего аналогии в классической механике: обменного взаимодействия .

Свойства спина

Любая частица может обладать двумя видами углового момента : орбитальным угловым моментом и спином.

В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин не связан с движением в пространстве. Спин - это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках релятивистской механики . Если представлять частицу (например, электрон) как вращающийся шарик, а спин как момент, связанный с этим вращением, то оказывается, что поперечная скорость движения оболочки частицы должна быть выше скорости света, что недопустимо с позиции релятивизма.

Будучи одним из проявлений углового момента, спин в квантовой механике описывается векторным оператором спина алгебра компонент которого полностью совпадает с алгеброй операторов орбитального углового момента Однако, в отличие от орбитального углового момента, оператор спина не выражается через классические переменные, иными словами, это только квантовая величина. Следствием этого является тот факт, что спин (и его проекции на какую-либо ось) может принимать не только целые, но и полуцелые значения (в единицах постоянной Дирака ħ ).

Примеры

Ниже указаны спины некоторых микрочастиц.

спин	общее название частиц	примеры
0	скалярные частицы	π -мезоны , K-мезоны, хиггсовский бозон , атомы и ядра 4 He , чётно-чётные ядра, парапозитроний
1/2	спинорные частицы	электрон , кварки , мюон , тау-лептон , нейтрино , протон , нейтрон , атомы и ядра 3 He
1	векторные частицы	фотон , глюон , W- и Z-бозоны , векторные мезоны , ортопозитроний
3/2	спин-векторные частицы	Δ-изобары
2	тензорные частицы	гравитон , тензорные мезоны

На июль 2004 года, максимальным спином среди известных элементарных частиц обладает барионный резонанс Δ(2950) со спином 15/2. Спин ядер может превышать 20

История

Математически теория спина оказалась очень прозрачной, и в дальнейшем по аналогии с ней была построена теория изоспина .

Спин и магнитный момент

Несмотря на то, что спин не связан с реальным вращением частицы, он тем не менее порождает определённый магнитный момент , а значит, приводит к дополнительному (по сравнению с классической электродинамикой) взаимодействию с магнитным полем . Отношение величины магнитного момента к величине спина называется гиромагнитным отношением , и, в отличие от орбитального углового момента, оно не равно магнетону ():

Введённый здесь множитель g называется g -фактором частицы; значения этого g -фактора для различных элементарных частиц активно исследуются в физике элементарных частиц .

Спин и статистика

Вследствие того, что все элементарные частицы одного и того же сорта тождественны , волновая функция системы из нескольких одинаковых частиц должна быть либо симметричной (то есть не изменяется), либо антисимметричной (домножается на −1) относительно перестановки местами двух любых частиц. В первом случае говорят, что частицы подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна и называются бозонами . Во втором случае частицы описываются статистикой Ферми - Дирака и называются фермионами .

Оказывается, именно значение спина частицы говорит о том, каковы будут эти симметрийные свойства. Сформулированная Вольфгангом Паули в 1940 году теорема о связи спина со статистикой утверждает, что частицы с целым спином (s = 0, 1, 2, …) являются бозонами, а частицы с полуцелым спином (s = 1/2, 3/2, …) - фермионами.

Обобщение спина

Введение спина явилось удачным применением новой физической идеи: постулирование того, что существует пространство состояний, никак не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве. Обобщение этой идеи в ядерной физике привело к понятию изотопического спина , который действует в особом изоспиновом пространстве. В дальнейшем, при описании сильных взаимодействий были введены внутреннее цветовое пространство и квантовое число «цвет » - более сложный аналог спина.

Спин классических систем

Понятие спина было введено в квантовой теории. Тем не менее, в релятивистской механике можно определить спин классической (не квантовой) системы как собственный момент импульса . Классический спин является 4-вектором и определяется следующим образом:

В силу антисимметрии тензора Леви-Чивиты, 4-вектор спина всегда ортогонален к 4-скорости В системе отсчёта, в которой суммарный импульс системы равен нулю, пространственные компоненты спина совпадают с вектором момента импульса, а временная компонента равна нулю.

Именно поэтому спин называют собственным моментом импульса.

В квантовой теории поля это определение спина сохраняется. В качестве момента импульса и суммарного импульса выступают интегралы движения соответствующего поля. В результате процедуры вторичного квантования 4-вектор спина становится оператором с дискретными собственными значениями.

См. также

Преобразование Гольштейна - Примакова

Примечания

Литература

Физическая энциклопедия. Под ред. А. М. Прохорова. - М.: «Большая российская энциклопедия», 1994. - ISBN 5-85270-087-8 .

Статьи

Физики разделили электроны на две квазичастицы. Группа ученых из Кембриджского и Бирмингемского университетов зафиксировала явление разделения спина (спинон) и заряда (холон) в сверхтонких проводниках.
Физики разделили электроны на спинон и орбитон. Группа ученых из немецкого Института конденсированного состояния и материалов (IFW) добилась разделения электрона на орбитон и спинон.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Спин" в других словарях:

СПИН - собственный момент импульса элементарной частицы или системы, образованной из этих частиц, напр. атомного ядра. Спин частицы не связан с её движением в пространстве и не может быть объяснён с позиций классической физики он обусловлен квантовой… … Большая политехническая энциклопедия

А; м. [англ. spin вращение] Физ. Собственный момент количества движения элементарной частицы, атомного ядра, присущий им и определяющий их квантовые свойства. * * * спин (англ. spin, буквально вращение), собственный момент количества движения… … Энциклопедический словарь

Спин - Спин. Спиновый момент, присущий, например, протону, можно наглядно представить, связав его с вращательным движением частицы. СПИН (английское spin, буквально вращение), собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (обозначение s), в КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ собственный угловой момент, присущий некоторым ЭЛЕМЕНТАРНЫМ ЧАСТИЦАМ, атомам и ядрам. Спин может рассматриваться как вращение частицы вокруг своей оси. Спин является одним из квантовых чисел, посредством… … Научно-технический энциклопедический словарь

Здравствуйте, друзья. В этой статье мы с вами научимся пользоваться технологией СПИН продаж. Она вам пригодится для того, чтобы совершать особо крупные продажи.

Вся эта система создана как раз для того, чтобы научить продавцов совершать крупные сделки. Автор данной модели Нил Рэкхем постоянно подчеркивает, что крупные продажи по своей сути очень сильно отличаются от малых продаж (то есть от продаж недорогих продуктов). Сначала мы с вами разберем, что же такое технология СПИН продаж, а потом рассмотрим на конкретных примерах, как она работает.

Технология СПИН продаж — что это простыми словами?

Вся технология СПИН держится на правильных вопросах. То есть смысл тут простой — кто задает вопросы (и внимательно слушает ответы), тот и управляет беседой. Только вопросы надо задавать правильные, и в правильной последовательности.

При чем это важно именно для крупных продаж. Крупными продажами мы называем такие продажи, где человек должен расстаться с достаточно большой (с его точки зрения) суммой денег, чтобы приобрести товар.

В малых продажах наиболее успешны те продавцы, которые много говорят сами. Они буквально «убалтывают» людей, чтобы те купили то, что они предлагают. Для этого лучше подойдет например .

В крупных продажах все совсем не так. Продавец должен больше молчать и слушать, просто направляя покупателя правильными вопросами к завершению сделки. Звучит просто, но на самом деле тут есть много подводных камней. Создатели системы выделяют всего четыре типа вопросов: С итуационные, П роблемные, И звлекающие и Н аправляющие (по первым буквам этих слов и образуется аббревиатура СПИН).

Давайте теперь рассмотрим каждый из этих типов вопросов на конкретных примерах, чтобы было понятно, как они работают.

Ситуационные вопросы — первое знакомство

Когда вы только знакомитесь с вашим потенциальным клиентом, то в первую очередь надо задавать именно ситуационные вопросы. Это такие вопросы, которые позволяют вам наладить контакт с человеком и выяснить первичную информацию о нем и о его бизнесе.

Допустим, вы продаете новейшую систему CRM для малого бизнеса. Её стоимость составляет 350 тысяч рублей. Для малого бизнеса это довольно большие деньги.

Поэтому в качестве модели продаж вы выбираете личные встречи (или как минимум — личные созвоны по Skype). В условленное время вы встречаетесь или созваниваетесь с вашим потенциальным клиентом — владельцем интернет магазина по продаже детской одежды. После стандартных «здравствуйте» и «спасибо, что нашли время встретиться» вы переходите к ситуационным вопросам.

В нашем конкретном примере это могут быть такие вопросы:

Как давно работает ваш интернет-магазин?
Сколько позиций товаров у вас открыты одновременно?
Какова посещаемость магазина?
Какие основные источники трафика вы используете?
Как обрабатываются заказы?
Какой у вас процент оплаченных заявок?

Все эти вопросы запрашивают какие-то факты о текущей ситуации в бизнесе вашего собеседника. И вот здесь надо быт очень осторожным. Ситуационные вопросы на самом деле нисколько не помогают продажам.

Начинающие и неопытные продавцы больше всего времени тратят именно на ситуационные вопросы, потому что боятся задавать по-настоящему важные вопросы (проблемные и извлекающие). Им кажется, что пока они заваливают собеседника вопросами о его бизнесе, они его «прогревают» и движутся к успешному завершению сделки.

На самом деле все происходит ровно наоборот. Ситуационные вопросы утомляют вашего потенциального клиента, он начинает скучать, потому что не понимает, куда и зачем движется этот разговор. В результате он старается завершить встречу с вами как можно быстрее.

Поэтому опытные продавцы дорогих товаров никогда надолго не застревают на этапе знакомства. Они задают пару-тройку ситуационных вопросов для установления контакта, а дальше переходят к проблемным вопросам.

Проблемные вопросы — выявляем потребности

Как нетрудно догадаться, проблемные вопросы направлены на то, чтобы выяснить, какие сложности и проблемы есть у нашего потенциального клиента на текущий момент. При этом очень важно, чтобы собеседник сам озвучил эти проблемы. То есть не надо говорить что-то типа «Знаете, у многих компаний, которые работают на вашем рынке, есть вот такая и такая проблемы».

И еще, не надо стесняться задавать «неудобные» вопросы. Возможно вы будете удивлены, но проблемные вопросы вызывают у потенциальных клиентов гораздо больше интереса, чем те же ситуационные, например.

Возвращаясь к нашему примеру с продажей CRM за 320 тысяч рублей, вот какие проблемные вопросы вы могли бы задать владельцу интернет-магазина по продаже детской одежды:

Есть ли трудности с доставкой заказов на данный момент?
Сложно ли операторам обрабатывать большое количество одновременных заявок?
Какие есть проблемы с оптимизацией расходов на рекламу?
Есть ли проблемы с ведением клиентской базы и повторными продажами?
Хватает ли времени на проведение акций для тех, кто уже стал вашим клиентом?
Есть ли у сотрудников время собирать от клиентов обратную связь после продажи?

Видите, что происходит? Конечно, вы, как опытный продавец, наверняка более или менее в курсе всех проблем, которые могут быть у вашего потенциального клиента — владельца интернет магазина.

Это проблемы с оперативной обработкой и доставкой заказов, проблема с отслеживанием того, откуда точно к ним пришел клиент, и какая реклама лучше сработала. Еще есть проблема с ведением клиентской базы, потому что почти ни у кого не хватает времени на то, чтобы работать с теми, кто когда-то что-то купил. И сбор обратной связи — вещь нужная, но до неё тоже никогда не доходят руки.

Все это вы знаете, и потому специально задаете такие вопросы потенциальному клиенту — с целью «вскрыть» его потребности. Думаете, что после таких вопросов он сразу все осознает и купит вашу CRM? Вовсе нет.

Создатели технологии СПИН продаж утверждают, что проблемные вопросы особенно хорошо работают в малых продажах. То есть если вы продаете что-то недорогое и небольшое, то зачастую вам будет достаточно только проблемных вопросов. Но все не так просто в крупных продажах.

Большинство собеседников ответит вам, что, мол, да, есть такая проблема — ведение клиентской базы, и акции мы давно не проводим, и обратную связь не хватает времени собирать. Такие проблемы действительно есть.

Но если сразу после этого вы озвучите свое предложение — «Тогда давайте мы вам поставим нашу CRM за 300 кусков, и у вас этих проблем больше не будет» — вас вежливо попросят (а может и невежливо). Вы шутите? 300 тысяч рублей за то, чтобы собирать обратную связь от покупателей? Спасибо, не надо.

Проблемные вопросы только выявляют потребность. В технологии СПИН самым важным является следующий тип вопросов — извлекающий. И после обозначения проблем вам надо переходить именно к ним.

Извлекающие вопросы — усиливаем потребность

Сразу скажу, что здесь есть небольшая проблема с переводом. Технология СПИН продаж — это американская разработка. И по-английски эта аббревиатура тоже звучит как SPIN. Соответственно, переводчики сделали все возможное, чтобы подобрать под названия вопросов такие слова, чтобы сохранить оригинальное звучание. Отсюда мы и имеем И звлекающие вопросы.

По-английски они называются Implication (дословно — усиление, вовлечение). То есть по-русски этот тип вопросов должен был бы называться «Усиливающие вопросы». Такое название более понятно, чем «извлекающие». Но давайте придерживаться официального перевода, чтобы не запутаться. Главное здесь — понять смысл этих вопросов.

А смысл как раз и состоит в том, чтобы усилить проблемы, которые были затронуты на предыдущем этапе. И опять-таки очень важно, чтобы не вы, а сам потенциальный клиент начал вам рассказывать о том, почему эта проблема не так мала, как может показаться сначала.

Например, возьмем проблему с проведением акций для клиентов, которые уже что-то купили в интернет-магазине детской одежды. Насколько мы помним, у владельца бизнеса никогда не хватает времени и рук на то, что проводить какие-то акции для существующих клиентов. Купили — и спасибо.

И тогда мы начинаем задавать извлекающие/усиливающие вопросы. В нашем примере диалог мог бы звучать примерно так.

Вы : Хватает ли у вас времени для работы с базой действующих клиентов? Например на проведение акций?

Владелец магазина : Вообще-то мы не часто работаем с существующими клиентами. Акции проводим регулярно, но только для новых — даем дополнительную рекламу о скидках в магазине на праздники.

Вы : Как вы думаете, какую конверсию в продажи вы могли бы сделать по базе ваших действующих клиентов? Смогли бы сделать, скажем, 2%?

Владелец бизнеса : Думаю, что смогли бы сделать больше. Товар у нас хороший, и люди обычно довольны качеством, рекомендуют нас своим друзьям.

Вы : Сколько контактов у вас сейчас в вашей базе клиентов? Сколько дополнительных продаж можно было бы сделать?

Владелец бизнеса : Сейчас у нас почти 3000 действующих клиентов. То есть если бы хотя бы 5% из них совершили повторные покупки на сумму 3 — 4 тысячи рублей, то это получилось бы, э-э… (считает на калькуляторе ) 450 — 600 тысяч рублей дохода.

Вы : Как часто вы могли бы проводить такие акции?

Владелец бизнеса : Да хоть каждый месяц, праздников у нас в стране, слава богу, хватает.

Владелец бизнеса : Ну, один новый клиент у нас в среднем стоит 1500р., а средний чек — 3000р. Значит нам понадобится.. (опять считает на калькуляторе ) 225 тысяч рублей расходов на рекламу, чтобы заработать 450 000р. Да, похоже, что по существующим клиентам продавать намного выгоднее. Можно по пол-ляма минимум дополнительно делать…

Как видите, владелец магазина сам пришел к тому выводу, к которому мы его подводили. Конечно, мы могли бы сразу ему сказать и без калькулятора — Ты что, идиот? Продавать по своей базе существующих клиентов намного выгоднее, потому что не надо тратить деньги на рекламу, и они вас уже знают и доверяют вам.

Но мы даем человеку самому прийти к такому заключению. Тогда воздействие будет намного сильнее. Кроме того, если мы сразу все выложим сами, то наш собеседник возможно забудет половину того, что мы сказали. А на следующий день ему надо будет «продавать» нашу CRM своим партнерам в бизнесе. И ему нужны будут аргументы для того, чтобы их убедить. И если он пришел к каким-то выводам «сам», то гораздо выше вероятность, что эти выводы у него из головы не вылетят.

Схожим образом мы проходимся по всем остальным проблемам — со сбором обратной связи, с доставкой товаров, с приемом заявок, и прочее. И после этого переходим к заключительному типу вопросов, после которых уже можно и сделку закрывать.

Направляющие вопросы — закрытие сделки

Вот тут тоже есть небольшой «косяк» с переводом. В оригинале название данного типа вопросов звучит как «Need-Payoff» (то есть буквально — за это надо платить). Задавая такие вопросы, мы подводим собеседника к выводу, что им действительно надо заплатить за решение проблем, которые мы выявили и усилили на предыдущих этапах.

Если хотите, то с помощью этих вопросов мы резюмируем все, что было сказано за время беседы. Например, в случае с владельцем интернет магазина, направляющие вопросы могли бы звучать примерно так:

Скажите, я правильно понял, что вы хотели бы решить проблему с большим процентом невыкупленных заказов?
Правильно я понимаю, что вы хотите теперь регулярно проводить акции по базе действующих клиентов для повышения дохода?
Другими словами, вам действительно важно точно знать, из какого источника рекламы к вам пришел клиент, чтобы не переплачивать за неэффективную рекламу и максимально использовать самые выгодные источники?
Новая CRM с автоматической системой рассылки смс решила бы эту проблему?
и так далее

На этом заключительном этапе общения наш потенциальный клиент уже подсознательно понимает, что от сделки ему не отвертеться. И не надо бояться того, что ваши вопросы могут звучать как чистая манипуляция.

Во-первых, большинство людей манипуляцию не услышат (они же не профессиональные продавцы, как вы). А во-вторых, даже если они профессиональные продавцы и услышат все ваши «приемчики» — ничего страшного.

Говорят, что продавать легче всего продавцам. Потому что они внимательно слушают, как вы это делаете. И если они слышат ваши манипуляции, то они, как правило, очень довольны собой (чувствуют свое превосходство над вами — дурачком, который считает себя хитрее одесского равина). И в таком благодушном состоянии они тоже склонны «снизойти» до заключение сделки.

Поэтому — не бойтесь явно «подбивать» человека на заключение сделки. В конце концов, он просто еще раз подтверждает все то, что было сказано раньше.

После такого резюме. вы уже можете спокойно переходить к оглашению своего предложения, зная, что не встретите никаких возражений.

То есть если человек только что сказал, что ему важно делать акции каждый месяц, а вы ему предлагаете инструмент, который позволит проводить акции автоматически для каждого нового клиента в заданные дни (государственные праздники, дни рождения и прочее) — автоматически формируя специальную страницу под этого клиента у вас на сайте, со специальными предложениями по его интересам, и смс рассылка будет осуществляться вашей CRM совершенно бесплатно, и это позволит зарабатывать от 500 тысяч дополнительных денег в месяц — ну кто будет против этого возражать, правильно?

И таким же образом вы используете другие выявленные и усиленные проблемы для того, чтобы сделать обоснованное предложение. Именно так и работает технология СПИН продаж.

И да, не забывайте, что при работе с крупными клиентами и крупными сделками, вам, возможно придется провести несколько встреч перед закрытием продажи. Тогда наверное не получится задать все типы вопросов сразу. Главное — понимать последовательность и смысл всей этой технологии. А работает она на самом деле очень здорово.

Надеюсь, что эта статья была вам полезна. Не забудьте скачать мою книгу . Там я показываю вам самый быстрый путь с нуля до первого миллиона в интернете (выжимка из личного опыта за 10 лет =)

До скорого!

Ваш Дмитрий Новосёлов

Как в классической, так и в квантовой механике закон сохранения момента возникает как результат изотропии пространства по отношению к замкнутой системе. Уже в этом проявляется связь момента со свойствами симметрии по отношению к вращениям. Но в квантовой механике эта связь становится в особенности глубокой, делаясь по существу основным содержанием понятия о моменте, тем более, что классическое определение момента частицы как произведения теряет здесь свой непосредственный смысл в виду одновременной неизмеримости радиуса-вектора и импульса.

Мы видели в § 28, что задание значений l к определяет угловую зависимость волновой функции частицы, а тем самым - все ее свойства симметрии по отношению к вращениям. В наиболее общем виде формулировка этих свойств сводится к указанию закона преобразования волновых функций при поворотах системы координат.

Неизменной волновая функция системы частиц (с заданными значениями момента L и его проекции М) остается лишь при повороте системы координат вокруг оси . Всякий же поворот, меняющий направление оси , приводит к тому, что проекция момента на ось уже не будет иметь определенного значения. Это значит, что в новых координатных осях волновая функция превратится, вообще говоря, в суперпозицию (линейную комбинацию) функций, отвечающих различным возможным (при заданном L) значениям М. Можно сказать, что при поворотах системы координат функций преобразуются друг через друга. Закон этого преобразования, т. е. коэффициенты суперпозиции (как функции углов поворота координатных осей), полностью определяется заданием значения L. Таким образом, момент приобретает смысл квантового числа, классифицирующего состояния системы по их трансформационным свойствам по отношению к вращениям системы координат.

Этот аспект понятия момента в квантовой механике в особенности существен в связи с тем, что он не связан непосредственно с явной зависимостью волновых функций от углов; закон их преобразования друг через друга может быть сформулирован сам по себе, без ссылки на эту зависимость.

Рассмотрим сложную частицу (скажем, атомное ядро), покоящуюся как целое и находящуюся в определенном внутреннем состоянии. Помимо определенной внутренней энергии она обладает также и определенным по своей величине L моментом, связанным с движением частиц внутри нее; этот момент может еще иметь 2L + 1 различных ориентаций в пространстве. Другими словами, при рассмотрении движения сложной частицы как целого мы должны, наряду с ее координатами, приписывать ей еще и одну дискретную переменную - проекцию ее внутреннего момента на некоторое избранное направление в пространстве.

Но при указанном выше понимании смысла момента становится несущественным вопрос о его происхождении, и мы приходим естественным образом к представлению о «собственном» моменте, который должен быть приписан частице вне зависимости от того, является ли она «сложной» или «элементарной».

Таким образом, в квантовой механике элементарной частице следует приписывать некоторый «собственный» момент, не связанный с ее движением в пространстве. Это свойство элементарных частиц является специфически квантовым (исчезающим при переходе к пределу и поэтому принципиально не допускает классической интерпретации.

Собственный момент частицы называют ее спином, в отличие от момента, связанного с движением частицы в пространстве, о котором говорят как об орбитальном моменте. Речь может идти при этом как об элементарной частице, так и о частице, хотя и составной, но ведущей себя в том или ином рассматриваемом круге явлений как элементарная (например, об атомном ядре). Спин частицы (измеренный, как и орбитальный момент, в единицах й) будем обозначать посредством s.

Для частиц, обладающих спином, описание состояния с помощью волновой функции должно определять не только вероятности ее различных положений в пространстве, но и вероятности различных возможных ориентаций ее спина.

Другими словами, волновая функция должна зависеть не только от трех непрерывных переменных - координат частицы, но и от одной дискретной спиновой переменной, указывающей значение проекции спина на некоторое избранное направление в пространстве (ось ) и пробегающей ограниченное число дискретных значений (которые мы будем обозначать далее буквой ).

Пусть - такая волновая функция. По существу она представляет собой совокупность нескольких различных функций координат, отвечающих различным значениям а; об этих функциях мы будем говорить как о спиновых компонентах волновой функции. При этом интеграл

определяет вероятность частице иметь определенное значение а. Вероятность же частице находиться в элементе Объема имея произвольное значение а, есть

Квантовомеханический оператор спина при применении его к волновой функции действует именно на спиновую переменную . Другими словами, он каким-то образом преобразует друг через друга компоненты волновой функции. Вид этого оператора будет установлен ниже. Но, уже исходя из самых общих соображений, легко убедиться в том, что операторы удовлетворяют таким же условиям коммутации, как и операторы орбитального момента.

Оператор момента в основном совпадает с оператором бесконечно малого поворота. При выводе в § 26 выражения для оператора орбитального момента мы рассматривали результат применения операции поворота к функции координат. В случае спинового момента такой вывод теряет смысл, поскольку оператор спина действует на спиновую переменную, а не на координаты. Поэтому для получения искомых соотношений коммутации мы должны рассматривать операцию бесконечно малого поворота в общем виде, как поворот системы координат. Производя последовательно бесконечно малые повороты вокруг оси х и оси у, а затем вокруг этих же осей в обратном порядке, легко убедиться непосредственным вычислением, что разница между результатами обеих этих операций эквивалентна бесконечно малому повороту вокруг оси (на угол, равный произведению углов поворота вокруг осей х и у). Мы не станем производить здесь этих простых вычислений, в результате которых вновь получаются обычные соотношения коммутации между операторами компонент момента импульса, которые, следовательно, должны иметь место и для операторов спина:

со всеми вытекающими из них физическими следствиями.

Соотношения коммутации (54,1) дают возможность определить возможные значения абсолютной величины и компонент спина. Весь вывод, произведенный в § 27 (формулы (27,7)-(27,9)), был основан только на соотношениях коммутации и потому полностью применим и здесь; надо только вместо L в этих формулах подразумевать s. Из формул (27,7) следует, что собственные значения проекции спина образуют последовательность чисел, отличающихся на единицу. Мы не можем, однако, теперь утверждать, что сами эти значения должны быть целыми, как это имело место для проекции орбитального момента (приведенный в начале § 27 вывод здесь неприменим, поскольку он основан на выражении (26,14) для оператора , специфическом для орбитального момента).

Далее, последовательность собственных значений ограничена сверху и снизу значениями, одинаковыми по абсолютной величине и противоположными по знаку, которые мы обозначим посредством Разность между наибольшим и наименьшим значениями должна быть целым числом или нулем. Следовательно, число s может иметь значения 0, 1/2, 1, 3/2, ...

Таким образом, собственные значения квадрата спина равны

где s может быть либо целым числом (включая значение нуль), либо полуцелым. При заданном s компонента спина может пробегать значения - всего значений. Соответственно этому, и волновая функция частицы со спином s имеет компонент

Опыт показывает, что большинство элементарных частиц - электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мезоны и все гипероны - обладают спином 1/2. Кроме того, существуют элементарные частицы - -мезоны и -мезоны, - обладающие спином 0.

Полный момент импульса частицы складывается из ее орбитального момента 1 и спина s. Их операторы, действуя на функции совершенно различных переменных, разумеется, коммутативны друг с другом.

Собственные значения полного момента

определяются тем же правилом «векторной модели», что и сумма орбитальных моментов двух различных частиц (§ 31).

Именно, при заданных значениях полный момент может иметь значения . Так, у электрона (спин 1/2) с отличным от нуля орбитальным моментом l полный момент может быть равен ; при момент имеет, конечно, лишь одно значение

Оператор полного момента J системы частиц равен сумме операторов моментов каждой из них, так что его значения опредег ляются снова правилами векторной модели. Момент J можно представить в виде

где S можно назвать полным спином, а L - полным орбитальным моментом системы.

Отметим, что если полный спин системы - полуцелый (или целый), то то же самое будет иметь место и для полного момента, поскольку орбитальный момент всегда целый. В частности, если система состоит из четного числа одинаковых частиц, то ее полный спин во всяком случае целый, а потому будет целым и полный момент.

Операторы полного момента частицы j (или системы частиц J) удовлетворяют тем же правилам коммутации, что и операторы орбитального момента или спина, поскольку эти правила являются вообще общими правилами коммутации, справедливыми для всякого момента импульса. Следующие из правил коммутации формулы (27,13) для матричных элементов момента тоже справедливы для всякого момента, если матричные элементы определять по отношению к собственным функциям этого же момента. Остаются справедливыми (с соответствующим изменением обозначений) также и формулы (29,7)-(29,10) для матричных элементов произвольных векторных величин.

Учитывая также, что найдем

В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы.

Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантово-механического явления, не имеющего аналогии в классической механике, обменного взаимодействия .

Вектор спина является единственной величиной, характеризующей ориентацию частицы в квантовой механике . Из этого положения следует, что: при нулевом спине у частицы не может существовать никаких векторных и тензорных характеристик; векторные свойства частиц могут описываться только аксиальными векторами ; частицы могут иметь магнитные дипольные моменты и не могут иметь электрических дипольных моментов; частицы могут иметь электрический квадрупольный момент и не могут иметь магнитный квадрупольный момент; отличный от нуля квадрупольный момент возможен лишь у частиц при спине, не меньшем единицы .

Спиновый момент электрона или другой элементарной частицы, однозначно отделённый от орбитального момента, никогда не может быть определён посредством опытов, к которым применимо классическое понятие траектории частицы .

Число компонент волновой функции, описывающей элементарную частицу в квантовой механике, растёт с ростом спина элементарной частицы. Элементарные частицы со спином описываются однокомпонентной волновой функцией (скаляр), со спином 1 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}} описываются двухкомпонентной волновой функцией (спинор), со спином 1 {\displaystyle 1} описываются четырёхкомпонентной волновой функцией (вектор), со спином 2 {\displaystyle 2} описываются шестикомпонентной волновой функцией (тензор) .

Что такое спин - на примерах

Хотя термин «спин» относится только к квантовым свойствам частиц, свойства некоторых циклически действующих макроскопических систем тоже могут быть описаны неким числом, которое показывает, на сколько частей нужно разделить цикл вращения некоего элемента системы, чтобы она вернулась в состояние, неотличимое от начального.

Легко представить себе спин, равный 0 : это точка - она со всех сторон выглядит одинаково , как её ни крути.

Примером спина, равного 1 , может служить большинство обычных предметов без какой-либо симметрии: если такой предмет повернуть на 360 градусов , то этот предмет вернётся в своё первоначальное состояние. Для примера - можно положить ручку на стол, и после поворота на 360° ручка опять будет лежать так же, как и до поворота.

В качестве примера спина, равного 2 можно взять любой предмет с одной осью центральной симметрии: если его повернуть на 180 градусов, он будет неотличим от исходного положения, и получается за один полный оборот он становится неотличим от исходного положения 2 раза. Примером из жизни может служить обычный карандаш, только заточенный с двух сторон или не заточенный вообще - главное чтобы был без надписей и однотонный - и тогда после поворота на 180° он вернется в положение, не отличимое от исходного. Хокинг в качестве примера приводил обычную игральную карту типа короля или дамы

А вот с полуцелым спином, равным 1 / 2 немножко сложнее: это получается, что в исходное положение система возвращается после 2-х полных оборотов, то есть после поворота на 720 градусов. Примеры:

Если взять ленту Мёбиуса и представить, что по ней ползет муравей, тогда, сделав один оборот (пройдя 360 градусов), муравей окажется в той же точке, но с другой стороны листа, а чтобы вернуться в точку, откуда он начал, придётся пройти все 720 градусов .

четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. При повороте коленчатого вала на 360 градусов поршень вернётся в исходное положение (например, верхнюю мёртвую точку), но распределительный вал вращается в 2 раза медленнее и совершит полный оборот при повороте коленчатого вала на 720 градусов. То есть при повороте коленчатого вала на 2 оборота двигатель внутреннего сгорания вернётся в то же состояние. В этом случае третьим измерением будет положение распределительного вала.

На подобных примерах можно проиллюстрировать сложение спинов:

Два заточенных только с одной стороны одинаковых карандаша («спин» каждого - 1), скреплённые боковыми сторонами друг с другом так, что острый конец одного будет рядом с тупым концом другого (↓). Такая система вернётся в неотличимое от начального состояния при повороте всего на 180 градусов, то есть «спин» системы стал равным двум.
Многоцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания («спин» каждого из цилиндров которого равен 1/2). Если все цилиндры работают одинаково, то состояния, при которых поршень находится в начале такта рабочего хода в любом из цилиндров, будут неотличимы. Следовательно, двухцилиндровый двигатель будет возвращаться в состояние, неотличимое от исходного, через каждые 360 градусов (суммарный «спин» - 1), четырёхцилиндровый - через 180 градусов («спин» - 2), восьмицилиндровый - через 90 градусов («спин» - 4).

Свойства спина

Любая частица может обладать двумя видами углового момента : орбитальным угловым моментом и спином.

Будучи одним из проявлений углового момента, спин в квантовой механике описывается векторным оператором спина s → ^ , {\displaystyle {\hat {\vec {s}}},} алгебра компонент которого полностью совпадает с алгеброй операторов орбитального углового момента ℓ → ^ . {\displaystyle {\hat {\vec {\ell }}}.} Однако, в отличие от орбитального углового момента, оператор спина не выражается через классические переменные, иными словами, это только квантовая величина. Следствием этого является тот факт, что спин (и его проекции на какую-либо ось) может принимать не только целые, но и полуцелые значения (в единицах постоянной Дирака ħ ).

Спин испытывает квантовые флуктуации. В результате квантовых флуктуаций строго определённое значение может иметь только одна компонента спина, например . При этом компоненты J x , J y {\displaystyle J_{x},J_{y}} флуктуируют вокруг среднего значения. Максимально возможное значение компоненты J z {\displaystyle J_{z}} равно J {\displaystyle J} . В то же время квадрат J 2 {\displaystyle J^{2}} всего вектора спина равен J (J + 1) {\displaystyle J(J+1)} . Таким образом J x 2 + J y 2 = J 2 − J z 2 ⩾ J {\displaystyle J_{x}^{2}+J_{y}^{2}=J^{2}-J_{z}^{2}\geqslant J} . При J = 1 2 {\displaystyle J={\frac {1}{2}}} среднеквадратические значения всех компонент из-за флуктуаций равны J x 2 ^ = J y 2 ^ = J z 2 ^ = 1 4 {\displaystyle {\widehat {J_{x}^{2}}}={\widehat {J_{y}^{2}}}={\widehat {J_{z}^{2}}}={\frac {1}{4}}} .

Вектор спина меняет своё направление при преобразовании Лоренца . Ось этого поворота перпендикулярна импульсу частицы и относительной скорости систем отсчёта .