سپين (فيزياء)

الغزل أوسپين spin هودوران الجسيم الأولي حول نفسه وهي خاصية جوهرية في كافة الجسيمات الأولية وتمثل ظاهرية ميكانيكية كمومية أصيلة لا وجود للقاء لها في الميكانيك الكلاسيكي, لكن تقرب للأذهان عن طريق تشبيهها بدوران الأرض حول نفسها إضافة لدورانها حول الشمس, فكذلك الإلكترون يدور حول نفسه ويدور حول النواة.

سپين خاصة مهمة للجسيمات الأولية وهي صفة ذاتية للجسيم اعتُقد في البداية أنها ناشئة عن دورانه حول نفسه. يُنطق وفقاً لمبادئ فهم الميكانيك التحليلي إذا لجسم صلب اندفاعاً زاوياً angular momentum ويرمز له بـ ، إذا دار حول محوره. وإذا رمز بـ ω لسرعته الزاوية وبـ I إلى عزم عطالته حول محور الدوران، فإن تمثل بشعاع محمول على محور الدوران طويلته Iω. وفي الحديث عن جملة ما، تبعد كتلة منها m عن محور الدوران مسافة وتتحرك بسرع ، فإن الاندفاع الزاوي يُعرّف على أنه الجداء الشعاعي ، وهومقدار شعاعي، يخضع وفقاً لقواعد الميكانيك المذكور، إلى مبدأ الانحفاظ إذا كانت الجملة معزولة.

يدعوتفسير الظواهر في الفيزياء الذرية والفيزياء النووية، إلى حتى يُعزى للجسيمات الأولية كالإلكترونات والبروتونات والنترونات، شعاع اندفاع زاوي ذاتي ـ بصرف النظر عن حركتها في الفضاء ـ نطلق عليه اسم السبين. وما يجري قياسه عملياً هومسقط على محور محدد OZ فلا يأخذ سوى إحدى قيمتين هما: (اختصاراً أو )، إذا أخذنا المقدار كواحدة لقياس الاندفاع الزاوي باعتبار h ثابت بلانك.

تقضي قوانين ميكانيك الكم بأنقد يكون الاندفاع الزاوي المحصل العائد للذرة مساوياً المحصلة الشعاعية للاندفاع الزاوي الذاتي، أي السبين، وللاندفاع الزاوي المداري لمكوناتها.

كما تقضي قواعد ميكانيك الكم حتىقد يكون السبين العائد للجسيمات مساوياً مضاعفاً فردياً

وهذا يضم البروتونات والنترونات والإلكترونات، وتسمى هذه الجسيمات فيرميونات. أوحتىقد يكون السبين صفراً أومضاعفاً زوجياً

كما للفوتونات وجسيمات ألفا وتسمى بوزونات. يُشار أخيراً إلى حتى الفيرميونات تخضع لمبدأ الاستثناء لباولي Pauli Exclusion Principle، في حين لاتخضع البوزونات لهذا المبدأ.

عدد سپين الكم

للإشارة لخاصية الغزل في الجسيمات الأولية رقم يسمى عدد الكم المغزلي وهذا العدد سليم بالنسبة للبوزونات بينما نصفي للفرميونات.

هذا العدد المغزلي هورابع أعداد الكم وأخرها

الجسيمات الأولية

في الميكانيك الكلاسيكي: ينشأ العزم الدوراني من دوران مكونات وكتل داخلية أصغر لكن في ميكانيك الكمقد يكون دوران السبين خاصة جوهرية للجسيم لا تنشأ عن دوران مكونات داخلية.

باستثناء بوزون هيقز الإفتراضي فإن الجسيمات الأولية وهي الفرميونات ((كالإلكترونات)) والبوزونات ((كالفوتونات)) لا يمكن حتى لها حتى تظل بدون غزل بالرغم من كونها جسيمات نقطية غير مؤلفة من مكونات أدنى أوأصغر منها.

Father and Mother of the series Spin Family (2009) by physicist-turned sculptor Julian Voss-Andreae. The two pictured objects illustrate the geometry of a spin 5/2 object (blue 'male' on the left) and spin 2 object (pink 'female' on the right). Spin Family, on display in the art exhibition "Quantum Objects" playfully equates fermions with the male and bosons with the female gender, depicting the first spin 1/2, 1, 3/2, 2, and 5/2 objects as a family of five.

جسيمات المركب

الذرات والجزيئات

نظرية إحصائيات الدوران (سپين)

العزم المغناطيسي

Magnetic field lines around a magnetostatic dipole; the magnetic dipole itself is in the center and is seen from the side.

الغزل الإلكتروني

The head-on collision of a quark (red ball) from one proton (orange ball) with a gluon (green ball) from another proton with opposite spin, spin is represented by the blue arrows circling the protons and the quark. The blue question marks circling the gluon represent the question: Are gluons polarized? Ejected from the collision are a shower of quarks and a photon of light (purple ball).

الغزل الإلكتورني يولد مجالا مغناطيسيا الأمر الذي يجعل الإلكترون كالمغناطيس, يغزل الإلكترون في اتجاهين فقط

مع عقارب الساعة
عكس عقارب الساعة

لذا فهويأخذ قيمتين فقط +1/2 أو-1/2

ينشأ عن دوران الإلكترون حول النواة عزم زاوي, في اللقاء ينشأ عن غزله عزم زاوي داخلي, مما يعني :

العزم الزاوي الكلي = العزم الزاوي المداري + العزم الزاوي الداخلي

حيث العزم الزاوي الداخلي يحدد برابع أعداد الكم وهوالعدد المغزلي

بينما يحدد العزم الزاوي المداري بثاني أعداد الكم وهوالعدد المداري

اتجاه سپين

Spin projection quantum number and spin multiplicity

ناقلات سپين

الصياغة الرياضية لزيادة ونقصان

مشغل سپين

مصفوفات باولي ومشغلي سپين

سبين ومبدأ استبعاد باولي

سپين وتناوب

سپين والتحولات لورنتز

قياس الغزل على المحاور x, y، وz

قياس الغزل على المحور الكيفي

توافق القياسات سپين

سپين والتكافؤ

التطبيقات

في سبتمبر 2019، تمكنت مجموعة من الفيزيائين النظريين من كلية ترينتي في دبلن، ضمن تعاون دولي من بناء أصغر محرك في العالم بحجم ذرة آيون الكالسيوم، أصغرعشرة مليار مرة من حجم محرك السيارة. العمل الذي تم القيام به بواسطة مجموعة الأستاذ جون گولد للأنظمة الكمية في مدرسة الفيزياء بكلية ترينتى يشرح الفيزياء وراء المحرك الصغير جداً. تم نشر البحث في مجلة فيزيكال رڤيولترز في 21 أغسطس 2019، ويشرح كيف من الممكن أن تؤثر التقلبات العشوائية في تشغيل الآت الميكروسكوبية. في المستقبل، من الممكن دمج هذه الأجهزة مع تقنيات أخرى من أجل إعادة تدوير الحرارة المفقودة وبالتالي زيادة كفاءة الطاقة.

إن المحرك ذاته – وهوتعبير عن آيون كالسيوم واحد - مشحون كهربياً مما يجعل إحتواءه باستخدام المجالات الكهربائية أمراً سهلاً. إذا مادة عمل هذا المحرك هي "اللف المغزلي الجوهري intrinsic spin" (زخمه الزاويّ). يُستخدم هذا اللّف المغزلي لتحويل الحرارة الممتصة من حزمة الليزر إلى ذبذبات أواهتزازات للأيون المحبوس في المجال الكهربائي. تعمل هذه الاهتزازات "كدولاب" يحتفظ بالطاقة المفيدة المتولدة من المحرك. تُخزن هذه الطاقة في وحدات منفصلة تسمى "كوانتا quanta،" التي تتنباً بها ميكانيكا الكم. نطق الدكتور مارك ميتشيسون من مجموعة الأنظمة الكمية كيوسيس في كلية ترينتي وأحد المؤلفين المشاركين فى البحث: " يُمكننا الدولاب من قياس القدرة الناتجة من المحرك على مقياسٍ ذرّي، مما يمكننا من حلّ كوانتا واحدة من الطاقة لأول مرة." رصد الفريق عند بدء تشغيل الدولاب من السكون - أولنكون أكثر دقة، من المستوى الأرضيِّ ground state ( أقل مستويات الطاقة في الفيزياء الكمية) - أنّ المحرك الصغير يجبر الدولاب على اللّف أسرع أكثر فأكثر. بشكلٍ حاسم، كانت حالة الأيون متاحة فى التجربة، مما جاز للفيزيائين بتقدير الطاقة بدقة فى عملية إيداع الطاقة. نطق الأستاذ المساعد بكلية ترينتى جون گولد: " إنّ هذه التجربة والنظرية تقودنا إلى حقبة جديدة من البحث فى تقنيات الطاقة المبنية على النظرية الكمّية، والذي هوالموضوع الرئيسيُّ فى مجموعتنا البحثية. إنّ التحكم فى الطاقة على مستوى نانويّ هوأحد المشاكل الأساسية نحوحوسبةٍ أسرع وأكثر كفاءة. إنّ فهم كيف من الممكن أن يمكن تطبيق الديناميكا الحرارية في هذه الأوضاع الميكروسكوبية هوشيءٌ أساسيّ لتقنيات المستقبل."

التاريخ

طرح موضوع السبين لأول مرة عام 1925 من قبل الفيزيائيين الأمريكيين گودسميت S.A.Goudsmit وأولينبك E.Uhlenbeck، حيث بيّنا تعذر تفسير الظواهر الطيفية للذرات بمجرد إضافة عدد كمومي وحيد هوسبين الإلكترون، وأن التفسير الكامل لهذه الظواهر، يحتاج تبني مفهوم السبين لكل من البروتونات والنترونات والجسيمات المضادة، ويكون لمجموعة الجسيمات المكونة للنواة سبين محصل ناشئ عن سبينات البروتونات والنترونات التي تهجرب منها.

انظر أيضاً

Spinor
Stern-Gerlach experiment
Spin-orbital
Angular momentum
Chirality (physics)
Dynamic nuclear polarisation
Helicity (particle physics)
Pauli equation
Pauli-lubanski pseudovector
Rarita–Schwinger equation
Representation theory of SU(2)
Spin-½
Spin-flip
Spin isomers of hydrogen
Spin magnetic moment
Spin quantum number
Spin tensor
Spin wave
Spin Engineering
Spintronics
Yrast
Zitterbewegung

الهامش

المصادر

^ أحمد محمود حصري. "السبين". الموسوعة العربية.
^ Ball, Philip (2009). "Quantum objects on show" (PDF). Nature. 462 (7272): 416. Bibcode:2009Natur.462..416B. doi:10.1038/462416a. Retrieved 2009-01-12. Unknown parameter |month= ignored (help)
^ "الفيزيائيون يصنعون أصغر محركٍ في العالم". ناسا بالعربي. 2019-09-06. Retrieved 2019-09-10.

Spin is covered in every textbook on quantum mechanics.
"Spintronics. Feature Article" in Scientific American, June 2002

وصلات خارجية

"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

نطقب:Physics operator

[1] أحمد محمود حصري. "السبين". الموسوعة العربية.

[2] Ball, Philip (2009). "Quantum objects on show" (PDF). Nature. 462 (7272): 416. Bibcode:2009Natur.462..416B. doi:10.1038/462416a. Retrieved 2009-01-12. Unknown parameter |month= ignored (help)

[3] "الفيزيائيون يصنعون أصغر محركٍ في العالم". ناسا بالعربي. 2019-09-06. Retrieved 2019-09-10.

النموذج العياري لفيزياء الجسيمات
الجسيمات الأولية في النموذج العياري
خلفية فيزياء الجسيمات نظرية الحقل الكمومي نظرية القياس كسر التناظر التلقائي آلية هيگز
أسس تآثر كهروضعيف ديناميكا لونية كمومية مصفوفة س.ك.م
تقيدات خرق تناظر الشحنة السوية القوي معضلة الهرمية تذبذب النيوترينو
فهماء رذرفورد • تومسون • تشادويك • سودارشان • ستوني • مارشاك • أندرسون • فاينمان • روبيا • گل-مان • ساكاتا • پاول • گلاشو • مير • زڤايج • إليوپولوس • مياني • كوان • نامبو • هان • تشمبرلين • كابيبو • شوارتز • پرل • Majorana • واينبرگ • لي • عبدالسلام • كوباياشي • ماسكاوا • يانگ • يوكاوا • أت هوفت • ڤلتمان • گروس • پوليتسر • ويلتشك