電子のスピンについて

質問

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。

回答No.1

ryumu

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。