След като изяснихме какво е абсолютната нула и се запознахме с ентропията, ще се спрем на още един интересен въпрос. Въпросът е сложен, понеже лежи в областта на квантовата физика: какво е спин на частица?
Да започнем с това, че всички частици имат спин. По същия начин, както електрическият заряд или масата, спинът помага да се определи типа на частицата.
Спин (от английското spin – въртене) е собствен момент на импулса на елементарните частици, имащи квантова природа. Спин се нарича също собственият момент на импулса на атомното ядро или атома; в този случай спинът се определя като векторна сума от спиновете на елементарните частици, образуващи система, и орбиталните моменти на тези частици, обусловени от тяхното движение вътре в системата.
За разлика от орбиталния момент спинът не е свързан с преместване в пространството на центъра на инерция на частицата и се явява нейна вътрешна характеристика. Тъй като спинът е вектор, той има посока в пространството и отразява въртенето на съставните елементи на частиците.
При ядрата и атомите спинът се определя по правилата на квантовата механика като векторна сума на орбиталните и спиновите моменти на импулса на съставните частици, с отчитане на квантовата проекция на момента на импулса.
При увеличаване на размерите на системата и количеството на частиците в нея орбиталните моменти на импулса могат да бъдат много повече, отколкото спиновите моменти на импулса. Това води дотам, че спинът на микросистемите във вид на отделно тяло почти напълно зависи от орбиталното въртене на елементите на веществото на тялото около някаква ос.
В квантовата механика квантовите числа за спина не съвпадат с квантовите числа за орбиталния момент на частицата, което води до некласическа интерпретация на спина. Освен това при спина и орбиталния момент на частицата възниква различна връзка със съответните магнитни диполни моменти, съпровождащи всяко въртене на заредените частици. В частност във формулата за спина и неговия магнитен момент жиромагнитното отношение не е равно на 1.
Моментът на въртенето се квантува точно по същия начин, както се квантуват енергията, зарядът, импулсът и други физични величини, които могат да се предават от едно тяло към друго.
При елементарните частици моментът на въртене се градуира от самите тези кванти въртене. Спинът на електрона (+1/2) означава, че електронът има половин квант въртене по часовниковата стрелка спрямо избраната ос на въртене. Спинът на електрона (-1/2) означава, че електронът има половин квант на въртене срещу часовниковата стрелка спрямо избраната ос на въртене.
Поради това, че моментът на въртене може да се предава от едно тяло към друго само с цяло число, се получава, че електронът постоянно се намира във въртящо състояние. Всъщност, ако електронът се върти по часовниковата стрелка (спин +1/2) и при взаимодействие с фотон или друг електрон отдава един цял квант въртене (спин +1), то при него остава (+1/2) – (+1) = (-1/2). Тоест той не спира своето въртене, а просто започва да се върти в обратна посока около същата избрана ос.
Затова спирането на въртенето на електрона е невъзможно.
Но и да го завъртим прекалено силно, също е невъзможно. Това вече не е квантов ефект, а релативистки. Тоест, ако електронът вече има спин (+1/2), той не може да приеме допълнителен квант на въртене в същата посока.
Това свойство на ограничение на максималния момент на въртене имат всички елементарни частици.
А ефект на ненулев спин имат само частиците фермиони (електрон, протон, неутрон). Те имат полуцели спинове.
Частиците бозони имат целочислени стойности на спина. Затова въртенето на бозоните може да бъде спряно.
Например, ако фотонът има спин (+1), то във фотон-фононни взаимодействия той може да отдаде един квант въртене по часовниковата стрелка на другия фотон и тогава неговият спин ще бъде равен на нула (+1) – (+1) =0. Фотон с нулев спин съответства на невъртяща се поляризация на светлинната вълна, а фотон със спин +1 съответства на въртенето на поляризацията на електромагнитна вълна по часовниковата стрелка спрямо посоката на движение на фотона.
Спинът е свързан със симетрията и в рамките на посочената аналогия частица със спин 1/2, обърната на 180 градуса, съвпада със самата себе си; частица със спин 1 трябва да се обърне на 360 градуса, а частица със спин 2 – на 720 градуса.
Концепцията за спина на електрона се използва за обяснение на много явления, като например разположението на атомите в периодичната система на химичните елементи и т.н.
Наскоро възникналата област на изследвания, наречена „спинтроника“, се занимава с манипулирането на спиновете на зарядите в полупроводникови устройства. В ядрения магнитен резонанс се използва взаимодействието на радиовълните със спиновете на ядрата, което позволява осъществяването на спектроскопия на химичните елементи и получаването на изображение на вътрешните органи в медицинската практика.
