Спин в квантовой механике: что это такое и почему электроны имеют спин 1/2? Основы физики

Первые 1000 человек, перешедших по ссылке в описании, получат бесплатный пробный период премиум-подписки Skillshare: https://skl.sh/parthg11201

Привет всем! Я вернулся с новым видео! В этом выпуске «Квантовая механика, но быстро» мы рассмотрим основы спина!

Спин — очень интересная тема, которую не изучают подробно, пока вы не решите получить диплом по физике. И всё же, спин обычно описывают ещё в старшей школе, а то и раньше, и нам часто говорят просто принять его существование. Вместо того, чтобы принять его, я решил разобраться, что же такое спин на самом деле.

Учёные заметили, что некоторые частицы ведут себя так, как будто у них есть угловой момент. Для тех, кто знаком с угловым моментом, он похож на линейный импульс (p = mv), за исключением того, что объект приобретает угловой момент при движении по угловой траектории (например, вращаясь вокруг планеты, вращаясь как волчок и т. д.).

Проблема заключалась в том, что частицы, которые, казалось, обладали этим моментом импульса, не проявляли никаких признаков углового движения. Казалось, что частицы изначально обладали этим моментом импульса, как будто вращались вокруг своей оси, словно волчок. Более того, эти частицы «вращались» только с определёнными скоростями — не быстрее и не медленнее. Это наводило на мысль о квантовании спина — он мог принимать только определённые значения. Однако частицы могли вращаться в противоположных направлениях. Это загадочное свойство частиц называлось «спином».

(Стоит отметить, что частицы также могли получать дополнительный момент импульса традиционными классическими способами — например, двигаясь по искривлённой траектории. Но этот момент импульса добавлялся к изначальному моменту импульса, который у частицы уже был).

Когда Дирак сформулировал своё знаменитое уравнение, спин, казалось, естественным образом выпадал из математических схем. Частицы, подчиняющиеся уравнению Дирака, должны были обладать этим собственным моментом импульса, который не был обусловлен каким-либо конкретным вращением, движением по орбите или чем-то подобным. Математика Дирака предполагала, что спины также квантуются совершенно правильно (помните, что они могли «вращаться» только с определёнными скоростями, что наблюдалось экспериментально).

Уравнение Дирака фактически учитывало как специальную теорию относительности, так и квантовую механику. Это предполагает, что спин — это эффект специальной теории относительности, но это не совсем так — частицам не обязательно двигаться с относительно высокой скоростью, чтобы обладать спином.

Возможно, вы слышали, что частицы описываются как «спин 1/2» (например, электроны) или «спин 1», например, фотоны. В этом видео мы обсуждаем, что это означает. Мы видим, как можно найти количество возможных результатов измерения спина каждой частицы в зависимости от её спинового числа. Мы также видим, как можно найти точный угловой момент каждой частицы в каждом из её спиновых состояний.

Наконец, мы видим, что частицы с полуцелым спином называются фермионами, а частицы с целым спином — бозонами. Эти два класса частиц ведут себя совершенно по-разному!

Если вы не уверены в том, как ведут себя частицы при многократном измерении их спина в разных направлениях, рекомендую почитать о коллапсе волновой функции и принципе неопределённости Гейзенберга.

Большое спасибо за просмотр — надеюсь, эта дискуссия о спине в квантовой физике была полезной!

Подписывайтесь на меня:
Instagram — parthvlogs
YouTube (2-й канал) — Parth G's Shenanigans
Patreon — patreon.com/parthg

Это видео спонсировано Skillshare — большое им спасибо :)

0:00 — Вступление
0:30 — Что такое спин? Обсуждение момента импульса!
1:16 — Спин как имманентный момент импульса — У частиц он вроде как... есть?!
1:51 — Откуда берётся спин? Специальная теория относительности и уравнение Дирака... ish
2:35 — Спин электрона: спин вверх и спин вниз
3:33 — Большое спасибо нашему спонсору, Skillshare — бесплатный пробный период по ссылке в описании!
4:30 — Откуда мы знаем, что электроны «вращаются», но на самом деле не вращаются? Эксперимент Штерна-Герлаха!
4:56 — Измерение спина электрона, принцип неопределённости Гейзенберга, коллапс волновой функции
6:21 — Спин квантуется! Он может принимать только определённые значения :O
7:26 — Частицы со спином 1/2 и спином 1 — что это значит?
7:56 — Как число спина определяет все спиновые состояния частицы — с уменьшенной постоянной Планка
8:13 — Нахождение всех спиновых состояний электрона (спин 1/2)
9:16 — Нахождение всех спиновых состояний фотона (спин 1)
10:06 — Нахождение всех спиновых состояний типичной частицы со спином 3/2
10:34 — Фермионы (полуцелый спин) и бозоны (целый спин) — классы частиц!
11:08 — Спасибо за просмотр! Заглядывайте в мои соцсети :)