電子のスピンとは何かわかりません
本には「電子の自転」としか書いておらず、「は?」って感じです。
特に「スピンが1/2」とか「スピンが-1/2」とか書いてあるのを見るとさらに混乱します。
電子に上下の区別があればスピンがあることは理解できますが、私の知識では電子に上下の区別はありませし、スピンが1/2とか・・・もうわけわかりません。
能力の乏しい私にうまく説明してください。

A 回答 (1件)

もっともだと思います。


そもそもスピンという名前自身が混乱を招くもとなのです。

ちょっと専門的になりますが・・・・・
普通電子の軌道は全量子数n、方位量子数k、磁気量子数mによって表されます(各量子数は整数)。ここでmは、磁気に関与する量で、その絶対値はk以下であるという条件が付きます。たとえばk=1のとき、m=-1、0、1の三種の軌道が存在し(いわゆるp軌道)、k=2の時、m=-2、-1、0、1、2の5種存在する(いわゆるd軌道)。一般に、mの個数は2k+1となり、奇数になります。
ところが、このn、k、mだけでは説明不可能である現象が現れたのです。つまり、mが偶数になる現象が観測された。これより電子の状態はさらなる量子数が必要ということになったのです。

もっとおおざっぱに言うと、電子を磁場中に通すとN極に引っ張られるものとS極に引っ張られるものとの2本に分かれる(異常ゼーマン効果)。これは、mが2種あることになり、2k+1=2から、k=1/2となります。これがスピン1/2です(ちなみに、電子だけでなく、陽子、中性子もスピン1/2です)。そして、m=-1/2、1/2となります。

ちなみにエネルギーは簡単に計算でき、電子ではm=-1/2のほうが、1/2よりも低い(安定)であることが分かっています。このエネルギー差は磁場が無くなると消失します(縮退、または縮重という)。

電子が磁場に影響されるためには電子が磁気をもっていなければならないので、考えられるのは電子が自転することで電子自身がN極とS極をもっているからだろう・・・という考えから、電子のスピンという名前になりました。でもこれはやはり正確ではありません。あくまで電子がスピンを持つことを納得させるための説明です。

結局の所、我々の一般の認識では物質の状態の記述は3変数あれば足りるはずだったが、素粒子ではそれでは足りなかった。もう一つ、スピン量子数というものが必要だった・・ということだけなんですよ。

ぴんと来なくて当たり前。
しかしそれでも、スピンは存在する・・・?!

ちなみにスピンは、量子力学では得られない数ですが、これに相対論を組み込むことで、スピンの存在が当然のものとしてディラックにより導かれました。
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いずれにせよ、物体の巨視的磁気モーメントそのものは、古典量であって、x,y,z 成分のそれぞれが時間の関数として決まります。

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さて(1)についてですが、間接的ということなら、磁性体の「スピン波」とか「磁気緩和」など、スピンの横成分が関わる実験はいろいろありますが、"Jx^2+Jy^2"の値を直接測る方法はと言われると、直ぐにはお答えできません(すみません)。ただ、スピンには、不可避的に横成分に逃げた揺らぎ成分をもつと考えることで、磁性現象が矛盾なく理解されていることは確かです。

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grothendieckさんへ。
私の表現がまずかったですね。磁場をかけることと、z成分を確定させることは、確かに別です。私の立場は、磁場をかけるが、観測するのは個々のスピンでなく巨視的な磁化としています。スピン方向はカノニカル分布に従っており、統計力学的な巨視量を常に連続観測するとき、スピンの状態をどのように分かりやすく説明するかという問題です。表現は適宜直してお読み下さい。

補足質問に気づくのが遅くなりました。ごめんなさい。

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注意を要するのは、「棒磁石」の運動は、原子からなる結晶格子剛体系の運動であり、スピン系そのものの磁気回転効果を直接見ることにはならない点です。そのためいわゆるコマの首振り運動のような顕著な現象は起きないのですが、それでもいくらかの効果は残ります。たしか「マクスウェル効果」と呼ばれるものですが、恐らく、実測に成功した例はないのではないでしょうか。

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