در این طرح درس می خواهیم شمار را با مفهوم اسپین بیشتر آشنا کنیم:

قبل از معرفی اسپین بهتر است دو مفهوم تکانه خطی و تکانه زاویه ای در فیزیک را به شما یاد آوری کنیم:

تکانه خطی یا مومنتم (Momentum): به حاصل ضرب جرم یک جسم در سرعت آن تکانه گفته می شود. تکانه خطی مقدار انرژی موجود در جسم را نشان می دهد. تکانه یک کمیت برداری است یعنی دارای اندازه و جهت می باشد و جهت آن، هم جهت با بردار سرعت جسم است.

یکی از قانون های بقا در فیزیک، قانون بقای تکانه خطی است، مومنتم از بین نمی رود فقط از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود. برای فهمیدن این مسئله یک سری توپ در بازی بیلیارد را در نظر بگیرید هنگامی که به یکی از آن ها ضربه وارد می شود با برخورد با توپ بعدی تکانه خود را به آن منتقل کرده و همین روند تا توپ آخر ادامه دارد.

 

تکانه زاویه ای: تکانه زاویه ای به حرکت دورانی یک جسم مربوط می شود. وقتی که جسم به جای حرکت در یک، دو یا سه بعد حرکت چرخشی دارد سرعت آن سرعت زاویه ای نامیده می شود. در این حالت بجای جرم جسم باید از کمیتی به نام اینرسی (I) استفاده کنیم چنین جسمی علاوه بر تکانه خطی دارای تکانه زاویه ای (L) است که جهت آن از قانون دست راست تعیین می شود.

یادآوری: در فیزیک وقتی به جای ذره، یک جسم با حجم و توزیع چگالی خاص داریم باید به جای جرم از کمیتی به نام اینرسی صحبت کنیم که مقدار آن به چگونگی توزیع ذرات در جسم و محور چرخش جسم بستگی دارد.

می دانیم که کره زمین دارای دو نوع حرکت وضعی و انتقالی است. حرکت آن به دور خورشید را حرکت انتقالی و چرخش زمین به دور خودش را حرکت وضعی می‌ گویند. هر یک از این دو نوع حرکت، دارای اندازه حرکت زاویه‌ای مخصوص به خود است.

اسپین ( Spin)، از خاصیت‌های بنیادی ذرات زیراتمی است که معادل کلاسیک ندارد و یک خاصیت کوانتومی بشمار می‌آید. نزدیک‌ترین خاصیت کلاسیک به اسپین اندازه‌حرکت زاویه‌ای است.

 

تائید تجربی اسپین الکترون

شاید بدانید که اگر یک ذره باردار متحرک باشد در اطراف آن یک میدان مغناطیسی به وجود می آید بنابراین حرکت چرخشی الکترون (با بار منفی)، مانند حلقه جریانی است که گشتاور مغناطیسی خاص خود را به دنبال دارد.

پس اگر یک میدان خارجی به چنین ذره ای وارد شود انتظار داریم که برهمکنشی بین این دو میدان صورت بگیرد، که البته ما فقط از روی نتایج آزمایش می توانیم به وجود این چنین بر هم کنشی پی ببریم. دقیقا دانشمندان با انجام این آزمایش به وجود ساختار ریز اتم ها و به دنبال آن به اسپین پی بردند.

آن ها با گذاشتن اتم در معرض میدان مغناطیسی خارجی جابجایی در ترازهای انرژی آن ها مشاهده کردند حدس دانشمندان این بود که این جابجایی می بایست در اثر بر همکنش میدانی با میدان خارجی اعمالی به وجود آمده باشد که امروزه اسپین الکترون گفته می شود.

این نوع آزمایش ها و نیز شواهد تجربی دیگر نشان می‌‌دهند که الکترون، تکانه زاویه‌ای و گشتاور مغناطیسی دارد که به حرکت آن بر مدار پیرامون هسته مربوط نبوده، بلکه به ذات ذره مربوط است.

ویژگی های اسپین

اسپین الکترون را با S نشان می‌‌دهند. مانند تکانه حرکت زاویه‌ای مداری، این کمیت نیز کوانتیده است.

بنابراین در میدان مغناطیسی، S هر جهتی را اختیار نمی‌‌کند و فقط مجاز به جهت گیری در امتداد میدان مغناطیسی است (اگر میدان مغناطیسی در جهت z فرض شود)، مضرب 1/2 از باشد. یعنی: