International Physics Masterclasses

Ιδιοστροφορμή (Σπιν)

Πέρα από τις ιδιότητες της μάζας και του ηλεκτρικού φορτίου που συναντήσαμε έως τώρα, τα σωματίδια έχουν άλλη μια θεμελιώδη ιδιότητα που καλείται ιδιοστροφορμή ή σπιν (spin). Είναι ένα καθαρά κβαντομηχανικό στοιχείο με πάρα πολλές εφαρμογές στις σύγχρονες τεχνολογίες και την επεξεργασία της πληροφορίας. Τα ηλεκτρονικά του σπιν ή σπιν-τρόνικς (spintronics), εκμεταλλεύονται ιδιότητες του σπιν - αντί του ηλεκτρικού φορτίου ή σε συνδυασμό με αυτό – προσφέροντας σε ηλεκτρονικές συσκευές ποικιλία λειτουργικότητας όπως αποθήκευση και κβαντικούς υπολογισμούς, για να αναφέρουμε δύο από αυτές.

Επομένως, το είναι αυτό η ιδιοστροφορμή; Για να το καταλάβουμε ας εισάγουμε πρώτα την έννοια της στροφορμής. Είναι ένα διανυσματικό μέγεθος που αντιστοιχεί στην περιστροφική κίνηση ανάλογο με την ορμή που αντιστοιχεί στην γραμμική κίνηση. Στην κλασσική μηχανική, η στροφορμή μπορεί να οφείλεται σε τροχιακή κίνηση (όπως είναι η ετήσια κίνηση της Γης γύρω από τον ήλιο) ή στο "σπιν" (όπως η καθημερινή περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονα της). Σε αναλογία με την κλασική μηχανική, το σπιν εισάγεται ως μια εγγενής στροφορμή (ιδιοστροφορμή) του στοιχειώδους σωματιδίου. Βέβαια, δεν μπορούμε να φανταστούμε πώς ένα σημειακό σωματίδιο περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του όπως η Γη, οπότε, δεν θα πρέπει να πάρουμε πολύ σοβαρά αυτήν την αναλογία(*).

Με απλά λόγια, το σπιν μας λέει πώς ένα σωματίδιο (σε ηρεμία) φαίνεται από διάφορες κατευθύνσεις. Στην καθημερινότητα, μπορούμε να περιστρέψουμε ένα σώμα και να μελετήσουμε τον βαθμό της (αν)ισοτροπίας του. Αυτό δεν ισχύει στον μικρόκοσμο. Ειδικά όταν μελετούμε στοιχειώδη σημειακά σωματίδια. Τότε, η έμφαση δίνεται στην συμπεριφορά των σωματιδίων και τις εγγενείς ιδιότητές τους, συμπεριλαμβανόμενου του σπιν.

Στη φυσική των σωματιδίων στηριζόμαστε στις διασπάσεις των βραχύβιων σωματιδίων για να προσδιορίσουμε το σπιν τους. Η στροφορμή είναι ένα διατηρούμενο διανυσματικό μέγεθος ανάλογο της ορμής. Ένα διανυσματικό μέγεθος προσδιορίζεται από την διεύθυνση του διανύσματος και το το μέτρο του (με απλά λόγια το “μήκος” του διανύσματος). Βαθμωτό μέγεθος είναι αυτό που απλά χρειάζεται το μέτρο του για να καθορισθεί. Τέτοια μεγέθη είναι το ηλεκτρικό φορτίο και η μάζα.

Η κβαντομηχανική αποδίδει καθορισμένη διακριτή (σε αντίθεση με την συνεχή) τιμή του σπιν στα σωματίδια. Διακρίνουμε 2 κατηγορίες σωματιδίων. Τα φερμιόνια έχουν ημι-ακέραιο σπιν(**) (1/2, 3/2, 5/2, ...). Τα μποζόνια έχουν ακέραιο σπιν (0, 1, 2, ...). Τα σωματίδια που συγκροτούν την ύλη (λεπτόνια και κουάρκ) είναι φερμιόνια με σπιν 1/2. Τα σωματίδια-φορείς των αλληλεπιδράσεων και το Higgs είναι μποζόνια. Το φωτόνιο, τα γκλουόνια, τα W και Ζ έχουν σπιν 1. Το Higgs έχει σπιν 0.

Τα φερμιόνια και τα μποζόνια έχουν αντίθετη συλλογική συμπεριφορά. Τα μποζόνια είναι “κοινωνικά” σωματίδια με την έννοια ότι είναι δυνατόν πολλά σωματίδια να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση ακόμα και αν έχουν ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες. Η αρχή των laser στηρίζεται στο γεγονός ότι πολλά φωτόνια μπορούν να μοιράζονται την ίδια κατάσταση. Τα φερμιόνια είναι “μοναχικά” σωματίδια που υπακούουν στην απαγορευτική αρχή: 2 πανομοιότυπα σωματίδια δεν μπορούν να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση. Αυτό το γεγονός εξηγεί τη δομή του περιοδικού πίνακα των στοιχείων και όλη τη χημεία.

(*)Θα μπορούσαμε να πούμε ότι για κάθε στοιχειώδες σωματίδιο, πρέπει να αθροίσουμε στην τροχιακή στροφορμή του (η οποία εξαρτάται από τις διάφορους παραμέτρους της κίνησής του) μια επιπλέον σταθερή ποσότητα (φυσικά με διαστάσεις στροφορμής) που εξαρτάται από το είδος του σωματιδίου. Αυτό είναι το σπιν.
(**) Μιας και το σπιν έχει διαστάσεις στροφορμής (kg m2 s-1), λέγοντας πως το σπιν είναι, για παράδειγμα 1/2, εννοούμε (1/2)×h/(2π), όπου h είναι η σταθερά του Planck που ισούται με 6.62607004 × 10-34 kg m2 s-1.