Спин - собственный момент количества движения
Давайте вернемся к таблице 1
В ней есть столбец "спин", во всех клеточках которого стоит 1/2. Расширим таблицу, внеся в нее p-мезоны, нейтрино и фотоны (табл. 2).
Против каждого из мезонов (положительного, отрицательного и нейтрального) в соответствующей клеточке столбца "спин" стоит 0, у фотона - 1, а у нейтрино - 1/2. Итак, спин электронов, протонов, нейтронов и нейтрино равен половине, p-мезонов - нулю, а фотона - единице. В столбце со странным названием "статистика" против частиц со спином 1/2 стоит буква Ф, а против тех, у которых спин равен 0 или 1, - буква Б.
Что же такое спин? Сначала еще несколько слов об обыкновенном моменте количества движения, не о собственном. То, что l - целое число и справедливы формулы, описывающие пространственное квантование, - следствие волнового движения микрочастицы в пространстве. При вращении, казалось бы, всегда что-то движется в пространстве. Когда вращается твердый шарик вокруг оси, проходящей через его центр, все точки в шарике и на его поверхности, кроме расположенных на оси, перемещаются в пространстве.
Может ли вращаться точка? На первый взгляд вращение точки - абсурд. Оказывается, нет! Частица, которую можно (а иногда даже следует) считать точечной, способна "вращаться". Правильней сказать так: такая частица обладает собственным моментом вращения, или спином (по-английски spin - вращаться). Эпитет собственный очень важен. Он означает, что этот момент - неизменное, неустранимое свойство частицы, такое же, как ее масса и заряд.
А то, что собственный момент не связан с перемещением в пространстве (недаром слово "вращаться" взято в кавычки), приводит к тому, что не обязательно l - целое число. Но число проекций на ось квантования 2l + 1 - целое. В случае собственного момента l может быть либо целым числом, либо полуцелым. Когда речь идет о спине, вместо буквы l принято использовать букву s. Хотя величина собственного момента (спина) есть ћ[s(s + 1)]1/2, величиной спина частицы считают именно s.
Частицы с нулевым или целым значением спина (s = 0, 1, 2 …) называются бозонами (буква Б в таблицах). Частицы с полуцелым спином (не только с s = 1/2, но и с 3/2 или 5/2 … - такие тоже есть) называются фермионами (буква Ф в таблицах). Каково различие фермионов и бозонов, будет рассказано ниже.
Повторим: у электрона, протона, нейтрона и нейтрино спин равен 1/2. Спин, равный 1/2, - удивительный вектор. В этом случае 2s + 1 = 2. Значит, спин электрона, протона, нейтрона, нейтрино имеет лишь две проекции на ось квантования: +1/2 и -1/2. Ось, правда, может иметь произвольное направление в пространстве.
Вернемся к концу предыдущего раздела. Электрон имеет две различные проекции спина. Поэтому при фиксированном значении n число состояний электрона равно 2n2:
n = 1, 2, 3, 4…
2n2 = 2, 8, 18, 32, 50…
Эти числа столь важны, что им выделена отдельная строка.
Обратимся теперь к таблице Менделеева. Цифры 2, 8, 18… важны для понимания структуры периодов. Один пример. Инертные газы завершают периоды. Атомные номера - у гелия He Z = 2; у неона Ne Z = 10, но 10 = =2 + 8; у аргона Ar Z = 18. Дальше совсем интересно: у криптона Kr Z = 36, но 36= = ZAr + 2 + 8 + 8. У ксенона Xe Z = 54, а 54 = ZKr + 2+ + 8 + 8. Похоже, выписанные выше числа действительно играют какую-то важную роль. Особенно, если вспомнить, что атомный номер Z совпадает с числом электронов в атоме. Чтобы понять, почему числа 2, 8, 18… столь важны, придется познакомиться с одним из фундаментальных положений квантовой физики - с принципом запрета Паули.