Как мы можем определить спин как вращение электрона вокруг своей оси, если электрон описывается облаком вероятности нахождения электрона в точке пространства? Как это облако вероятности вращается вокруг своей собственной «оси» (я тоже нахожу это нечетким определением) и создает магнитное поле? Кроме того, когда электрон в атоме описывается как частица и следует принципам частиц?
Еще один способ взглянуть на вращение, дополняющий другие способы, который я считаю полезным, — это взглянуть на абстрактное обобщение концепции углового момента и забыть о таких вещах, как классические волчки. Это обобщение начинается с так называемой теоремы Нётер.которых вы, вероятно, еще не встречали. Вам нужна некоторая предыстория, но идея по существу проста. Если мы обнаружим, что физика системы не меняется, когда мы подвергаем ее непрерывному преобразованию, то теорема Нётер говорит нам, что для каждого такого непрерывного преобразования должна существовать одна сохраняющаяся величина. Таким образом, Природе, кажется, все равно, поместим ли мы начало нашей системы координат здесь, или там, или где-то посередине. Мы можем перемещать начало нашей системы координат, но физика остается прежней. Здесь есть три непрерывных преобразования: сдвиг начала координат в , или направления. Теорема Нётер говорит нам, что существуют три соответствующие сохраняющиеся величины: это то, что мы называем компонентами линейного количества движения. Точно так же большинству физических законов все равно, где мы поместим начало отсчета времени: мы можем непрерывно двигать его вперед и назад, но физика не изменится. Таким образом, существует еще одна сохраняющаяся величина: ее мы называем энергией . Наконец, если мы вращаем нашу систему координат вокруг, мы не меняем физику, так что есть три сохраняющихся величины, по одной для каждой из трех возможных осей вращения. Их мы можем определить как компоненты углового момента.
Таким образом, мы могли бы представить себя умными существами, которые ничего не знают о волчках, и тем не менее мы могли бы предсказать существование углового момента, сохраняющегося для изолированной системы. Электроны, фотоны, все виды частиц по-прежнему обладают этим свойством, потому что их физика (закодированная в чем-то, называемом их лагранжианом) не меняется, когда мы придаем вращательные преобразования нашей описательной системе координат, даже если мы не можем представить их как вращающиеся. как топ. У наших разумных существ может не быть зрения, и поэтому они могут не зацикливаться на необходимости видеть, как что-то «крутится» ( т.е.породить особый, очень заметный зрительный опыт, который помог нашим эволюционным предкам замечать движение во время охоты или бегства от хищников), прежде чем они объявят, что эти вещи обладают угловым моментом. Для таких существ не было бы повседневного понятия спина, как у нас: для них были бы только сохраняющиеся величины, существование которых вытекало из применения теоремы Нётер к инвариантности физики по отношению к вращению системы координат.
Я помню, как меня беспокоил такой же вопрос, когда я был намного моложе. Возможно, вы обнаружите утверждение, что что-то делокализованное, такое как электрон, просто имеет угловой момент, не вращаясь немного, так что вам может помочь узнать, что эта мысль оказалась очень тревожной для некоторых очень великих умов. Вольфганг Паули считал эту идею нелепой именно потому, что он все еще думал о вращающихся шарах, и поэтому он подсчитал, что поверхность этих шаров должна вращаться со скоростью, превышающей скорость света, чтобы учесть известный угловой момент. Квантово-механический спин широко упоминается как первое обнаруженное квантовое свойство, не имеющее классического аналога, поэтому, естественно, при первом знакомстве оно может показаться довольно странным.
Спин не определяется как вращение электрона вокруг собственной оси. Спин - это собственный угловой момент электрона - внутренний смысл в том, что он не возникает из-за движения электрона, а является свойством самого электрона.
Электрон в атоме «может» быть описан как частица, если вы используете модель атома Бора. Квантово-механическая картина электрона является более точным описанием и должна использоваться при работе с объектами размером с атом, если вы можете иметь дело с математикой.
Электроны никогда не следуют «принципам частиц», под которыми вы, кажется, подразумеваете физику классических точечных частиц. Классического приближения достаточно для человеческих целей только в некоторых случаях, т. е. когда нас не волнуют соотношения неопределенностей, управляющие квантово-механическими объектами.
Вообще элементарные частицы лучше рассматривать как кванты поля. Физически измеримые взаимодействия этого поля с самим собой всегда представлены наличием (и обменом) одного или множества этих квантов. Именно симметрии этого квантового поля порождают сохраняющиеся величины, такие как заряд и угловой момент, включая спин. Именно квантование поля заставляет кванты нести фиксированные количества этих сохраняющихся величин.
Квантовый спин частицы представляет собой еще одну степень свободы (например, для электронов) и из-за того, что он представлен как «оператор углового момента», он называется «спин». Однако это не аналог (или реальное вращение частицы вокруг собственной оси). По крайней мере, не в классическом смысле .
Таким образом, это представляет другую степень свободы (или другое измерение, если хотите) частицы, которую можно представить как « (обобщенный) угловой момент ».
Частица на определенном уровне физического описания может быть принята как (классическая, точечная) частица (а не как распределенный материал, как волна), когда относительные размеры всей системы и частицы позволяют такое описание или уровень точности описания это позволяет. В общем случае она зависит от «характерной длины волны» (длины волны де Бройля) материальной волны-частицы и ее отношения к размерам всей исследуемой системы.
Анна В