●スピン

素粒子または素粒子で構成される量子力学的系の有する基本的な量の一つでその静止系での系のもつ角運動量。原子スペクトルおよび元素の周期律を説明するため，1924年に W.パウリが初めて導入した。ディラック方程式に従う電子などの粒子に対しては，軌道角運動量にスピンと呼ばれるある種の角運動量を加えた全角運動量が，運動の恒量となることが示される。G.ウーレンベックと S.ハウトスミットは，1925年にスピンの物理的意味として，自転による角運動量で固有値（1/2）h/2π（h はプランク定数）をもつ模型を提唱した。このとき，通常は h/2πを省略して，単にスピンが 1/2であるということが多い。ℏ＝h/2πという記号もよく使われる。正確にいうと，スピン 1/2というのはスピン量子数が 1/2という意味である。一般にスピンが 1/2の奇数倍の粒子はフェルミオンと呼ばれフェルミ統計に従い，スピンが 1/2の偶数倍の粒子はボソンと呼ばれボース統計に従う。原子核に対してもスピンまたは核スピンという術語が使われるが，これは核や核子の軌道角運動量とスピンとの総和である全角運動量を表す。

「きりもみ」のページをご覧ください

粒子の磁気にかかわる量。角運動の一種で、「自転」のイメージでとらえるとわかりやすいが、古典力学のそれとは異なる。外から磁場が加わると、それと同じ(平行)か逆(反平行)の向きになる。電子スピンを制御すると電流の流れやすさを変えたりできるため、最近は次世代回路開発の分野でも注目される。エレクトロニクスに対し、スピントロニクスという言葉も使われる。
(尾関章 朝日新聞記者 ／ 2007年)

［名］(スル)
１ 回転すること。旋回すること。「凍結路で車がスピンする」
２ フィギュアスケートで、氷上の一点で体の中心線を軸としてこまのように体を回転させること。ジャンプなどとともに、採点要素の一つ。アップライトスピン・シットスピン・キャメルスピンに大別。
３ ダンスで、体を回転させること。
４ テニス・卓球・ゴルフなどで、ボールの回転。「スピンをかける」
５ 飛行機の、きりもみ。
６ 素粒子の基本的な量子数の一。古典的には粒子の自転による角運動量とみなされる。

洋装本で、栞(しおり)として用いるひも。一方が綴(と)じ目の上部にのり付けされている。
[補説]語源未詳。

波のパワーを利用して360°回転することをいう。ボディーボードの技

　スピンを求めたい粒子を含む２体反応で、その衝突が起こる確率（散乱断面積）と、その逆反応が起こる確率との比から、スピンを求める方法がある（詳細バランスの方法）。また、反応や崩壊現象を詳しく解析し、スピンを決定できる場合もある。この場合、反応前後の粒子間の軌道角運動量を何らかの方法で知っている必要がある。角度分布や種々の対称性がこの決定に利用できる。
　ボソンは、崩壊後に偶数個のフェルミオン（０も偶数であることに注意）を含み、フェルミオンは奇数個のフェルミオンを含むので、崩壊前の粒子が、ボソンであるかフェルミオンであるかは、たいていの場合すぐにわかる。

失速を伴う旋回。左右の失速状態がアンバランスになり、左右どちらかが先に失速を始めるために起きる。片翼が急激に失速に入るため後ろに落ちるように旋回が始まり、それを追うように失速していない片翼が前方へ加速する。そのため回転が始まる。回転が非常に速いため、フライヤーの回転がついていかず、ライザーが捻れツイストに入ることがある。また、回転にともないエアーインテークから空気が流入するため翼型が維持され、それがさらにスピンを加速する。

静止している粒子の角運動量をスピンといい，粒子の自転の角運動量と解釈することができる。量子力学によれば角運動量の大きさは，ħ(プランク定数hを2πで割ったもの)を単位にして0，1/2，1，3/2，……という整数，あるいは半整数に限られる。ある素粒子，あるいはある状態の原子核はつねに一定の大きさのスピンをもつので，スピンはその粒子を特徴づける量子数の一つに数えられる。例えば電子，核子はスピンが1/2であり，α粒子やπ中間子はスピン0，重陽子などはスピン1である。

素粒子またはその複合粒子のもつ固有の角運動量で量子論的な自由度である。古典物理的な描像では粒子の自転による角運動量と考えられる。運動する粒子の全角運動量は、軌道角運動量とこのスピン角運動量のベクトル和で表される。
　原子スペクトルの多重項構造、すなわち原子のエネルギー準位の微細構造の特徴を理解するために、パウリは、原子の軌道を運動する電子に新しく二価性をもつ自由度を付加した。クローニッヒRalph Kronig（1904―1995）、ハウトスミット、ウーレンベックは、パウリの前記の考えを粒子の自転と解釈し、自転に基づく角運動量の大きさが、（ディラック定数。プランク定数hを2πで割ったもので、エイチ・バーと読む）を単位にして1/2の値をとると考えた（第3軸成分は±1/2の値をとる）。また電荷をもつものが回転していれば円電流が生じ、それに比例する磁気モーメントが予想できる。この磁気モーメントの、ボーア磁子e/2mc（eは電子の電荷、mは同じく質量、cは光速度）を単位にして測った値をμとして、このμとを単位として測った角運動量との比をg因子とよぶ。このg因子を2とすると、トーマスの効果も考慮して、原子のエネルギー準位の微細構造、さらにまたパウリの原理を加えることによって周期律を含めて原子の諸特徴をみごとに説明できることがみいだされた。［小川修三・植松恒夫］

スピン演算子

量子力学では、物理量は状態関数に対する演算子として表現される。電子のスピンをどのように表すかという問題もパウリによって解決された。まず電子の状態を記述するシュレーディンガーの波動関数ψ(x)を2成分（2行1列の行列）

とすることによって、この波動関数に演算する次のような演算子S（＝s_x,s_y,s_z）、

を導入することができる。この演算子は、電子が原子の周りを回転することによる軌道角運動量L（＝L_x,L_y,L_z）と同じ代数的性質を備えており、角運動量としての資格をもっている。しかし普通の軌道角運動量の値がを単位にして整数値であるのに対し、スピンは半整数の値をもつこと、またg因子が軌道運動による部分については1であるのに対し、スピンについては2であるなど、単純な自転描像ではかならずしも簡単に理解ができるとは限らない面がある。これらの問題は、ディラックの相対論的電子論の提唱をまって解明されることになった。
　一般にスピンの値がを単位にして整数値をとる粒子をボソン、半整数値をとる粒子をフェルミオンという。前者はボース‐アインシュタイン統計、後者はフェルミ‐ディラック統計に従う。光子、グルーオン、ウィークボソンなどの力を媒介するゲージ粒子はスピンが1でボソン、物質を構成するクォークやレプトンはスピンが1/2でフェルミオンである。フェルミオンは同じ状態には1個の粒子しか存在できないというパウリの原理に従う。力の統一にはフェルミオンとボソンの間を関連づける超対称性とよばれる対称性が重要な働きをすると考えられている。［小川修三・植松恒夫］

核スピン

原子核の構成要素の一つである陽子は、電子と同じくスピン1/2をもちパウリの原理を満たす粒子（フェルミ‐ディラック粒子）であることが、水素分子の比熱の問題の解明のなかで明らかになった。もう一つの要素である中性子も、電荷が0という点を除いて陽子と同じ性質をもつ。陽子・中性子を構成要素とする原子核は、これら粒子のスピンや軌道運動の合成による核全体の角運動量をもつ。これを核スピンというが、同時に構成要素の磁気モーメントの和からなる核磁気モーメントができる。この核磁気モーメントは、それと軌道電子の磁気モーメントとの相互作用により、原子のエネルギー準位のずれ、すなわち準位の超微細構造を与える。この構造から核のスピンを決定できる。
　一方、核子は三つのクォークからなるが、核子のスピンがその構成要素のクォークやグルーオンにいかに担われているかが、偏極ビームおよび偏極ターゲットを用いた核子の深非弾性散乱の実験で研究されている。これまでのところ、素朴なクォーク模型の予想とは異なっており、クォークやグルーオンの固有のスピン以外に軌道角運動量からの寄与も含めて、核子スピンの起源の問題として追究されている。［小川修三・植松恒夫］
『朝永振一郎著『スピンはめぐる』（1982・中央公論社）　▽亀淵迪・原康夫・小寺武康編、朝永振一郎著『角運動量とスピン』（1989・みすず書房）　▽久保謙一・鹿取謙二著『スピンと偏極』（1994・培風館）　▽宮下精二著『岩波講座　物理の世界　物質科学の展開7　量子スピン系――不確定性原理と秩序』（2006・岩波書店）』

G.E. UhlenbeckおよびS. Goudsmitは，磁場中での原子スペクトルの分裂の仕方を説明するために，電子がその軌道運動の自由度のほかに自転の自由度としてスピン角運動をもつことを提唱したが，のちにP.A.M. Diracが相対論的電子論の立場から，スピンが電子のもつ内部自由度の一つであることを導き出した．量子力学的にはスピンsは角運動量演算子であり，s² の固有値は，プランク定数hを2πで割ったℏを使うと，

s(s ＋ 1)ℏ²
で与えられる．sはスピン量子数とよばれ，その値は1/2である．原子核を構成する陽子や中性子もスピンをもっており，それらのスピン量子数は電子と同じく1/2である．