Крутится ли Buckyball как электрон или как бейсбольный мяч?

Фундаментальное различие между спином электрона и спином бейсбольного мяча состоит в том, что электрон (насколько нам известно) является точечной частицей. Поэтому он не может вращаться в обычном смысле, когда отдельные части движутся относительно центра масс; мы говорим, что его угловой момент является внутренним . Величина$\lvert\vec{S}\rvert^2$собственного углового момента частицы$\vec{S}$фиксировано, в этом смысле электрон имеет «только одно» спиновое состояние. (Направление не фиксировано, поэтому, как вы говорите, вращение может быть вверх или вниз.)

Бакибол, как и бейсбольный мяч, имеет внутреннюю структуру; атомы углерода могут быть приведены в движение вокруг центра масс, придавая ему угловой момент. (Фермионы внутри атомов углерода имеют собственный угловой момент, но в основном состоянии молекулы они компенсируются.) Величина углового момента бакибола$\vec{J}$не фиксируется, так что в этом смысле он больше похож на бейсбольный мяч.

Но угловой момент квантуется, и хотя это совершенно не имеет значения для бейсбольного мяча, это имеет измеримые последствия даже для больших молекул, таких как фуллерены. Полный угловой момент подчиняется$\lvert\vec{J}\rvert^2 = \hbar^2 J(J+1)$, где$J$является целым числом (при условии, что ваш бакибол имеет четное число фермионов, например, 60${}^{12}$атомов C), в то время как проекция на любую ось ограничена целыми числами от$-J$к$+J$.

Кинетическая энергия, связанная с вращением, равна$\frac{\lvert\vec{J}\rvert^2}{2I}$, где$I$- момент инерции, поэтому это подразумевает (неравномерно расположенные) ступени разрешенной энергии. Для С$_{60}$,$I$достаточно мала, чтобы эти шаги были измерены с помощью рамановской спектроскопии .