สปิน (ฟิสิกส์)

ในการศึกษาด้านกลศาสตร์ควอนตัมและฟิสิกส์อนุภาค **สปิน** () คือคุณลักษณะพื้นฐานของอนุภาคมูลฐาน, อนุภาคประกอบ (ฮาดรอน) และนิวเคลียสอะตอม

อนุภาคมูลฐานประเภทเดียวกันทุกตัวจะมี **[[เลขควอนตัม]]สปิน** 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" แต่คำนิยามโมเมนตัมเชิงมุมแบบใหม่นี้ไม่ใช่อันเดียวกันกับคำนิยามในกลศาสตร์ดั้งเดิม **L**&nbsp;=&nbsp;**r**&nbsp;×&nbsp;**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*&nbsp;=&nbsp;*n*/2, โดยที่ *n* สามารถเป็นจำนวนเต็มใด ๆ ที่ไม่เป็นลบ ดังนั้นค่าที่ยอมให้ของ  *s*  จึงเป็น 0, 1/2, 1, 3/2, 2 ฯลฯ ค่าของ  *s* สำหรับอนุภาคมูลฐานขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาค และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงในทางที่รู้จักกันใด ๆ (ในทางตรงกันข้ามกับ*ทิศทางของสปิน*ที่อธิบายไว้ด้านล่าง) โมเมนตัมเชิงมุมของสปิน *S* ของระบบทางกายภาพใด ๆ จะถูกควอนไทซ์ (quantised) ค่าที่ยอมให้ของ *S* คือ:

:S = \frac{h}{2\pi} \, \sqrt{s (s+1)}=\frac{h}{4\pi} \, \sqrt{n(n+2)},

เมื่อ *h* คือ ค่าคงตัวของพลังค์ ในทางตรงกันข้าม โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรเท่านั้นที่สามารถใช้ค่าของ *s* เป็นจำนวนเต็ม เมื่อค่าของ *n* เป็นจำนวนคู่

## โมเมนต์แม่เหล็ก

[thumbnail|เส้นแรงสนามแม่เหล็กรอบ "ขั้วคู่แม่เหล็กสถิตย์" (magnetostatic dipole); [ขั้วคู่แม่เหล็กของตัวมันเองจะอยู่ที่จุดศูนย์กลางและถูกมองจากด้านข้าง]]

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.
**[[เนเจอร์ (วารสาร)|Nature]]*: " Milestones in 'spin' since 1896."
* ECE 495N Lecture 36: Spin Online lecture by S. Datta

หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์
หมวดหมู่:ทฤษฎีสนามควอนตัม