스핀

요약 입자의 기본성질을 나타내는 물리량 중 하나이다. 이상제만효과의 원인을 설명하기 위해 도입된 물리량으로 입자의 고유한 각운동량을 나타낸다. 양자역학의 발전에 큰 역할을 하였고 소립자들의 특징을 밝히는 중요한 물리량이다.

1890년 J.R.리드베리가 선스펙트럼의 규칙성을 밝히고, 1913년 N.H.D.보어의 수소원자이론이 발견되어 원자의 스펙트럼선에 대하여 여러 가지 사항들이 알려지게 되었으나, 해결되지 않는 문제가 두 개 있었다. 그 하나는 알칼리원소의 스펙트럼항(項)이 2중구조를 가지는 일이었고, 나머지 하나는 원소의 스펙트럼이 일반적으로 자기장에 의하여 분리되는 제이만효과가 생기므로 알칼리토류원소 등 1중구조를 가지는 스펙트럼의 그것은 간단히 설명이 되는데(正常제이만효과), 알칼리원소의 그것은 매우 복잡하여 설명할 수 없다는 것이다(異常제이만효과). 이들에 대한 설명은 1925년에 비로소 G.E.윌렌베크와 S.A.고우트스미트에 의해 해명되었다. 즉, 전자(電子)는 공간·시간의 자유도(自由度) 외에 각운동량과 관련한 새로운 자유도를 가지는 것으로 생각해야 하며 편의상 이를 스핀이라 명명하였다. 스핀각운동량은 거시적인 실험결과에서 마치 입자의 자전에 의한 것으로 나타나기도 하지만 고전적인 의미에서 입자가 회전축을 중심으로 자전(spin)하는 것을 의미하지는 않는다.

입자가 스핀각운동량을 가지면, 이것과 궤도에 의한 보통의 각운동량을 벡터적으로 합성한 것이 전체 각운동량이 된다. 이로 이용하면 알칼리원소에서의 2중 스펙트럼 구조를 설명할 수 있다. 알칼리 원소에서의 스펙트럼선에 유효하게 작용하는 것은 제일 바깥쪽 전자이므로 전자 스핀의 크기는 1/2이면 족하다. 실제로 전자 스핀의 크기를 정하는 데 적합한 실험은 은(Ag) 원자에 자기장을 거는 방식으로 1922년 O.슈테른과 W.게를라흐에 의하여 이루어졌다. 은 원자는 정상상태에서 궤도각운동량을 가지지 않으므로, 전체 각운동량은 전자의 스핀각운동량이 된다. 스핀각운동량을 고려한 전체 각운동량을 사용하면 정상제이만효과와 같은 방식으로 이상제이만효과를 설명할 수 있다. 이와 같은 방법으로 3중, 4중 등 일반적인 다중구조의 스펙트럼항 분석이 비약적으로 진전되었다.

자연계의 소립자들은 정수(整數) 또는 반정수(半整數) 중 어느 하나의 스핀을 가진다. 예를 들면, 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 전자와 같은 1/2의 스핀을 가지며, π중간자는 0인 스핀을 가졌다고 생각된다. 정수 스핀을 가진 입자는 보스-아인슈타인통계를, 반정수 스핀을 가진 입자는 페르미-디랙통계를 따르며 각각의 소립자를 보존(boson:보스입자), 페르미온(fermion:페르미입자)이라 한다.