سپين (فيزياء)

الغزل أو سپين spin هو دوران الجسيم الأولي حول نفسه و هي خاصية جوهرية في كافة الجسيمات الأولية و تمثل ظاهرية ميكانيكية كمومية أصيلة لا وجود لمقابل لها في الميكانيك الكلاسيكي, لكن تقرب للأذهان عن طريق تشبيهها بدوران الأرض حول نفسها إضافة لدورانها حول الشمس, فكذلك الإلكترون يدور حول نفسه و يدور حول النواة.

سپين خاصة مهمة للجسيمات الأولية وهي صفة ذاتية للجسيم اعتُقد في البداية أنها ناشئة عن دورانه حول نفسه. يُقال وفقاً لمبادئ علم الميكانيك التحليلي إن 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 ، وهو مقدار شعاعي، يخضع وفقاً لقواعد الميكانيك المذكور، إلى مبدأ الانحفاظ إذا كانت الجملة معزولة.

يدعو تفسير الظواهر في الفيزياء الذرية والفيزياء النووية، إلى أن 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 هو مسقط 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 بأن يكون الاندفاع الزاوي المحصل العائد للذرة مساوياً المحصلة الشعاعية للاندفاع الزاوي الذاتي، أي السبين، وللاندفاع الزاوي المداري لمكوناتها.

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

وهذا يشمل البروتونات والنترونات والإلكترونات، وتسمى هذه الجسيمات فيرميونات. أو أن يكون السبين صفراً أو مضاعفاً زوجياً

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

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 عدد سپين الكم

•  مقالة مفصلة: عدد سپين الكم

للإشارة لخاصية الغزل في الجسيمات الأولية رقم يسمى عدد الكم المغزلي و هذا العدد صحيح بالنسبة للبوزونات بينما نصفي للفرميونات.

هذا العدد المغزلي هو رابع أعداد الكم و أخرها

 الجسيمات الأولية

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

باستثناء بوزون هيقز الإفتراضي فإن الجسيمات الأولية و هي الفرميونات ((كالإلكترونات)) و البوزونات ((كالفوتونات)) لا يمكن أن لها أن تظل بدون غزل بالرغم من كونها جسيمات نقطية غير مؤلفة من مكونات أدنى أو أصغر 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.

 الذرات والجزيئات

•  مقالة مفصلة: Magnetochemistry

 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 فهو يأخذ قيمتين فقط +1/2 أو -1/2

ينشأ عن دوران الإلكترون حول النواة عزم زاوي, في المقابل 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 وهو العدد المغزلي

• بينما يحدد العزم الزاوي المداري بثاني أعداد الكم و هو العدد المداري

 الصياغة الرياضية لزيادة ونقصان

 مصفوفات باولي ومشغلي سپين

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 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، أصغر 10 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 رڤيو لترز في 21 أغسطس 2019، ويشرح كيف 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 – وهو عبارة عن آيون كالسيوم واحد - مشحون كهربياً مما يجعل إحتواءه باستخدام المجالات الكهربائية أمراً سهلاً. إن مادة عمل هذا المحرك هي "اللف المغزلي الجوهري intrinsic spin" (زخمه الزاويّ). يُستخدم هذا اللّف المغزلي لتحويل الحرارة الممتصة من حزمة الليزر إلى ذبذبات أو اهتزازات 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. قال 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 - أو لنكون 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 سمح للفيزيائين بتقدير الطاقة بدقة فى عملية إيداع الطاقة. قال الأستاذ المساعد بكلية ترينتى جون گولد: " إنّ هذه التجربة والنظرية تقودنا إلى حقبة جديدة من البحث فى تقنيات الطاقة المبنية على النظرية الكمّية، والذي هو الموضوع الرئيسيُّ فى مجموعتنا البحثية. إنّ التحكم فى الطاقة على مستوى نانويّ هو أحد المشاكل الأساسية نحو حوسبةٍ أسرع وأكثر كفاءة. إنّ فهم كيف يمكن تطبيق الديناميكا الحرارية في هذه الأوضاع الميكروسكوبية هو شيءٌ 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 هو سبين الإلكترون، وأن التفسير الكامل لهذه الظواهر، يتطلب تبني مفهوم السبين لكل من البروتونات والنترونات والجسيمات المضادة، ويكون لمجموعة الجسيمات المكونة للنواة سبين محصل ناشئ عن سبينات البروتونات والنترونات التي تتركب 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

 المصادر

• 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