Espín

Fitxer:Spin-physics-w.jpg

La col·lisió d'un quark (l'esfera vermella) des d'un protó (l'esfera taronja) amb un gluó (l'esfera verda) des d'un altre protó amb espín oposat. L'espín està representat per les fletxes blaves al voltant del protó i del quark. Els signes de interrogació blaus al voltant del gluó representen la pregunta: Estan els gluons polaritzats? Les partícules expulsades de la col·lisió són una pluja de quarks i un fotó (l'esfera púrpura).

En física, l'espín o espí (de l'anglès spin) és un moment angular intrínsec associat amb partícules microscòpiques. És un fenomen que pertany a la mecànica quàntica, sense cap analogia en la mecànica clàssica. Si bé el moment angular és propi de la rotació d'un objecte extens, l'espín no està associat amb cap rotació interna de masses, sinó que és intrínsec a una partícula. Les partícules elementals com l'electró poden tenir espín diferent de zero malgrat que es creu que és una partícula puntual que no té estructura interna. El concepte d'espín fou introduït el 1925 per Ralph Kroning, i de forma independent per George Uhlenbeck i Samuel Goudsmit.

El 1920, els químics analítics van arribar a la conclusió que per a descriure els electrons a l'àtom, es requeria un nombre quàntic més dels que es podien identificar per analogia amb el model clàssic de l'àtom, anomenat l'espín de l'electró, relacionat amb el moment magnètic intrínsec del mateix.

Els dos físics, Goudsmit i Uhlenbeck, van descobrir que, si bé la teoria quàntica de l'època no podia explicar algunes propietats dels espectres atòmics, afegint un nombre quàntic addicional, l'espín, s'assolia donar una explicació més completa dels espectres atòmics. Aviat, el concepte d'espín es va ampliar a totes les partícules subatòmiques, inclosos els protons, els neutrons i les antipartíqules.

L'espín proporciona una mesura del moment angular i de l'acció, intrínsec de tota partícula. Tot això en contrast amb la mecànica clàssica, on el moment angular s'associa a la rotació d'un objecte extens. L'espín és un fenomen exclusivament quàntic.

Existeix una relació directa entre l'espín d'una partícula i la estadística que obeïx en un sistema col·lectiu de moltes d'elles. Aquesta relació, coneguda empíricament, és demostrable en la teoria quàntica de camps relativista.

Propietats de l'espín

Com propietat mecanoquàntica, l'espín presenta una sèrie de qualitats que el distingeixen del moment angular clàssic:

• En primer lloc el valor d'espín està quantitzat, el que significa que no poden trobar-se partícules amb qualsevol valor de l'espín, sinó que l'espín d'una partícula sempre és un múltiple enter de $\hbar /2$ (on $\hbar$ és la constant de Planck dividida entre $2\pi$, també anomenada constant de Dirac).
• En segon lloc, quan es realitza un mesurament de l'espín en diferents direccions, només existeixen dos possibles valors iguals i de signe contrari, que són les seves possibles projeccions sobre una direcció predeterminada. Per exemple, la projecció del moment angular d'espín d'un electró, si es mesura en una direcció particular donada per un camp magnètic extern, pot resultar únicament en els valors $\hbar /2$ o bé $-\hbar /2$.
• En tercer lloc, la magnitud de l'espín, independent de la direcció, és única per a cada tipus de partícula elemental. Per als electrons, els protons i els neutrons, aquesta magnitud és, en unitats de $\hbar \cdot {\sqrt {s(s+1)}}$ , sent $s=1/2\,$. Això contrasta amb el cas clàssic on el moment angular d'un cos al voltant del seu eix pot assumir diferents valors segons la rotació sigui més ràpida o menys.

Referències

• "Spintronics. Article destacat" a Scientific American, Juny del 2002

Vegeu també

• Mecànica quàntica
• Bosó
• Fermió