สปิน (ฟิสิกส์)

ในการศึกษาด้านกลศาสตร์ควอนตัมและฟิสิกส์อนุภาค สปิน () คือคุณลักษณะพื้นฐานของอนุภาคมูลฐาน, อนุภาคประกอบ (ฮาดรอน) และนิวเคลียสอะตอม

อนุภาคมูลฐานประเภทเดียวกันทุกตัวจะมี เลขควอนตัมสปิน เลขเดียวกัน ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของสถานะควอนตัมของอนุภาค เมื่อรวมเข้ากับทฤษฎีสถิติของสปิน (spin-statistics theorem) สปินของอิเล็กตรอนจะส่งผลตามหลักการกีดกันของเพาลี อันเป็นตัวการเบื้องหลังของตารางธาตุ ทิศทางสปิน (บางครั้งก็เรียกย่อๆ ว่า "สปิน") ของอนุภาคหนึ่งเป็นองศาอิสระภายในที่สำคัญของอนุภาคนั้น

โวล์ฟกัง เพาลี เป็นบุคคลแรกที่เสนอแนวคิดเรื่องของสปิน แต่เขายังไม่ได้ตั้งชื่อให้กับมัน ปี ค.ศ. 1925 Ralph Kronig, George Uhlenbeck, และ Samuel Goudsmit นำเสนอการแปลความทางฟิสิกส์ของอนุภาคที่หมุนไปรอบแกนของตัวเอง เพาลีทำการศึกษาทฤษฎีทางคณิตศาสตร์เชิงลึกในปี 1927 เมื่อพอล ดิแรกคำนวณกลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพัทธ์ของเขาในปี 1928 นั้น สปินของอิเล็กตรอนมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งยวด

สปินเป็นโมเมนตัมเชิงมุมประเภทหนึ่ง โดยที่โมเมนตัมเชิงมุมมีนิยามตามแบบสมัยใหม่ว่าเป็น "ตัวกำเนิดการหมุน""Angular Momentum Operator Algebra", class notes by Michael FowlerA modern approach to quantum mechanics, by Townsend, p31 and p80 แต่คำนิยามโมเมนตัมเชิงมุมแบบใหม่นี้ไม่ใช่อันเดียวกันกับคำนิยามในกลศาสตร์ดั้งเดิม L = r × p (คำนิยามแบบเดิมในประวัติศาสตร์นั้นไม่ได้หมายรวมถึงสปิน แต่มีชื่อเรียกจำเพาะเจาะจงว่า orbital angular momentum)

ในเมื่อสปินเป็นโมเมนตัมเชิงมุมประเภทหนึ่ง ดังนั้นมันจึงมีหน่วยวัดแบบเดียวกัน คือ J·s ตามระบบเอสไอ อย่างไรก็ดีในทางปฏิบัติแล้วเราไม่ค่อยใช้ระบบเอสไอในการอธิบายถึงสปิน แต่มักจะเขียนเป็นรูปตัวคูณของค่าคงตัวของพลังค์แบบลดรูป คือ ħ ตามหน่วยธรรมชาติแล้ว ħ นั้นไม่มีหน่วย ดังนั้นจึงยึดถือหลักเดียวกันกับสปินด้วย แต่ถ้าว่าตามนิยามของ "จำนวนควอนตัมของสปิน" แล้ว จะต้องไม่มีหน่วยเสมอ

เลขควอนตัมสปิน

เป็นชื่อที่ถูกเสนอให้ใช้, สปินในแนวความคิดแต่ดั้งเดิมนั้นเป็นการหมุนของอนุภาครอบแกนบางแกน ในอีกแง่หนึ่ง สปินมีคุณสมบัติที่แปลกประหลาดบางอย่างที่แตกต่างจากวงโคจรของโมเมนตัมเชิงมุม:
เลขควอนตัมสปินอาจใช้เพียงค่าครึ่งหนึ่งของจำนวนเต็ม
แม้ว่าทิศทางของสปินสามารถเปลี่ยนแปลงได้, แต่อนุภาคมูลฐานนั้นไม่สามารถทำได้ในการหมุนให้เร็วขึ้นหรือช้าลง
สปินของอนุภาคประจุไฟฟ้ามีความเกี่ยวข้องกับโมเมนต์ขั้วคู่แม่เหล็กกับค่าแฟคเตอร์ g ที่แตกต่างกันตั้งแต่ 1 นี่อาจเกิดขึ้นได้ในฟิสิกส์แบบคลาสสิกถ้าประจุภายในของอนุภาคมีการกระจายที่แตกต่างจากมวลของมัน

คำนิยามทั่วไปของเลขควอนตัมปิน s คือ s = n/2, โดยที่ n สามารถเป็นจำนวนเต็มใด ๆ ที่ไม่เป็นลบ ดังนั้นค่าที่ยอมให้ของ  s  จึงเป็น 0, 1/2, 1, 3/2, 2 ฯลฯ ค่าของ  s สำหรับอนุภาคมูลฐานขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาค และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงในทางที่รู้จักกันใด ๆ (ในทางตรงกันข้ามกับทิศทางของสปินที่อธิบายไว้ด้านล่าง) โมเมนตัมเชิงมุมของสปิน S ของระบบทางกายภาพใด ๆ จะถูกควอนไทซ์ (quantised) ค่าที่ยอมให้ของ S คือ:

เมื่อ h คือ ค่าคงตัวของพลังค์ ในทางตรงกันข้าม โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรเท่านั้นที่สามารถใช้ค่าของ s เป็นจำนวนเต็ม เมื่อค่าของ n เป็นจำนวนคู่

 โมเมนต์แม่เหล็ก 


อนุภาคที่มีสปินสามารถมีโมเมนต์ขั้วคู่แม่เหล็ก (magnetic dipole moment) ได้ เช่นเดียวกับการหมุนของวัตถุมีประจุไฟฟ้าในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

เชิงอรรถ
พึงสังเกตว่าคุณสมบัติภายในของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมที่เรียกว่า "สปิน" อันเป็นหัวข้อในบทความนี้ แม้จะเกี่ยวพันกันอยู่บ้าง แต่ก็ค่อนข้างแตกต่างกับแนวคิดของสปินในชีวิตประจำวันของเราอย่างมาก (เช่น การใช้คำว่า "สปิน" (การหมุน) ของลูกบอล) สปิน ที่นักฟิสิกส์อนุภาคใช้ในโลกควอนตัมนั้นคือคุณสมบัติหนึ่งของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม ซึ่งมีคุณลักษณะที่แน่นอนและกระทำตัวตามกฎที่แน่นอน

อ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น
"Spintronics. Feature Article" in Scientific American, June 2002.
Goudsmit on the discovery of electron spin.
Nature: " Milestones in 'spin' since 1896."
 ECE 495N Lecture 36: Spin Online lecture by S. Datta

หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์
หมวดหมู่:ทฤษฎีสนามควอนตัม