古典意义中的自转，是物体对于其质心的旋转，比如地球每日的自转是顺著一个通过地心的极轴所作的转动

在量子力学中，自旋是与粒子所具有的内禀角动量，虽然有时会与古典力学中的自转相类比，但实际上本质是迥异的。古典意义中的自转，是物体对于其质心的旋转，比如地球每日的自转是顺著一个通过地心的极轴所作的转动。
　　首先对基本粒子提出自转与相应角动量概念的是1925年由 Ralph Kronig 、George Uhlenbeck 与 Samuel Goudsmit 三人所为。然而尔後在量子力学中，透过理论以及实验验证发现基本粒子可视为是不可分割的点粒子，是故物体自转无法直接套用到自旋角动量上来，因此仅能将自旋视为一种内在性质，为粒子与生俱来带有的一种角动量，并且其量值是量子化的，无法被改变（但自旋角动量的指向可以透过操作来改变）。
　　自旋对原子尺度的系统格外重要，诸如单一原子、质子、电子甚至是光子，都带有正半奇数（1/2、3/2等等）或含零正整数（0、1、2）的自旋；半整数自旋的粒子被称为费米子（如电子），整数的则称为玻色子（如光子）。复合粒子也带有自旋，其由组成粒子（可能是基本粒子）之自旋透过加法所得；例如质子的自旋可以从夸克自旋得到。概论　　自旋角动量是系统的一个可观测量，它在空间中的三个分量和轨道角动量一样满足相同的对易关系。每个粒子都具有特有的自旋。粒子自旋角动量遵从角动量的普遍规律，p=[J（J+1）]0.5h为自旋角动量量子数 ，J ＝ 0，1 ／ 2 ， 1，3／2，……。自旋为半奇数的粒子称为费米子，服从费米 - 狄拉克统计；自旋为0或整数的粒子称为玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计 。复合粒子的自旋是其内部各组成部分之间相对轨道角动量和各组成部分自旋的向量和，即按量子力学中角动量相加法则求和。已发现的粒子中，自旋为整数的，最大自旋为4；自旋为半奇数的，最大自旋为3／2。
　　自旋是微观粒子的一种性质。自旋为0的粒子从各个方向看都一样，就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度後看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度，自旋为1／2的粒子必须旋转2圈才会一样。 自旋为1／2的粒子组成宇宙的一切，而自旋为0，1，2的粒子产生物质体子间的力。物质体子服从泡利不相容原理。发展史　　自旋的发现，首先出现在碱金属元素的发射光谱课题中。于1924年，沃尔夫冈·泡利首先引入他称为是「双值量子自由度」(two-valued quantum degree of freedom)，与最外壳层的电子有关。这使他可以形式化地表述泡利不相容原理，即没有两个电子可以在同一时间共享相同的量子态。
　　泡利的「自由度」的物理解释最初是未知的。Ralph Kronig，Landé的一位助手，于1925年初提出它是由电子的自转产生的。当泡利听到这个想法时，他予以严厉的批驳，他指出为了产生足够的角动量，电子的假想表面必须以超过光速运动。这将违反相对论。很大程度上由于泡利的批评，Kronig决定不发表他的想法。
　　当年秋天，两个年轻的荷兰物理学家产生了同样的想法，George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit。在保罗·埃伦费斯特的建议下，他们以一个小篇幅发表了他们的结果。它得到了正面的反应，特别是在Llewellyn Thomas消除了实验结果与 Uhlenbeck 和 Goudsmit 的（以及 Kronig 未发表的）计算之间的两个矛盾的系数之後。这个矛盾是由于电子指向的切向结构必须纳入计算，附加到它的位置上；以数学语言来说，需要一个纤维丛描述。切向丛效应是相加性的和相对论性的（比如在c趋近于无限时它消失了）；在没有考虑切向空间朝向时其值只有一半，而且符号相反。因此这个复合效应与後来的相差系数2(Thomas precession)。
　　尽管他最初反对这个想法，泡利还是在1927年形式化了自旋理论，运用了埃尔文·薛丁格和沃纳·海森堡发现的现代量子力学理论。他开拓性地使用泡利矩阵作为一个自旋算子的群表述，并且引入了一个二元旋量波函数。
　　泡利的自旋理论是非相对论性的。然而，在1928年，保罗·狄拉克发表了狄拉克方程式，描述了相对论性的电子。在狄拉克方程式中，一个四元旋量所谓的「狄拉克旋量」被用于电子波函数。在1940年，包立证明了「自旋统计定理」，它表述了费米子具有半整数自旋，玻色子具有整数自旋。
　　自旋量子数
　　基本粒子的自旋
　　对于像光子、电子、各种夸克这样的基本粒子，理论和实验研究都已经发现它们所具有的自旋无法解释为它们所包含的更小单元围绕质心的自转（参见经典电子半径）。由于这些不可再分的基本粒子可以认为是真正的点粒子，因此自旋与质量、电量一样，是基本粒子的内禀性质。
　　在量子力学中，任何体系的角动量都是量子化的，其取值只能为：
　　其中是约化普朗克常数，而自旋量子数是整数或者半整数(0, 1/2, 1, 3/2, 2,……)，自旋量子数可以取半整数的值，这是自旋量子数与轨道量子数的主要区别，后者的量子数取值只能为整数。自旋量子数的取值只依赖于粒子的种类，无法用现有的手段去改变其取值（不要与自旋的方向混淆，见下文）。
　　例如，所有电子具有 s = 1/2，自旋为1/2的基本粒子还包括正电子、中微子和夸克，光子是自旋为1的粒子，理论假设的引力子是自旋为2的粒子，理论假设的希格斯玻色子在基本粒子中比较特殊，它的自旋为0。
　　亚原子粒子的自旋
　　对于像质子、中子及原子核这样的亚原子粒子，自旋通常是指总的角动量，即亚原子粒子的自旋角动量和轨道角动量的总和。亚原子粒子的自旋与其它角动量都遵循同样的量子化条件。
　　通常认为亚原子粒子与基本粒子一样具有确定的自旋，例如，质子是自旋为1/2的粒子，可以理解为这是该亚原子粒子能量量低的自旋态，该自旋态由亚原子粒子内部自旋角动量和轨道角动量的结构决定。
　　利用第一性原理推导出亚原子粒子的自旋是比较困难的，例如，尽管我们知道质子是自旋为1/2的粒子，但是原子核自旋结构的问题仍然是一个活跃的研究领域。
　　原子和分子的自旋
　　原子和分子的自旋是原子或分子中未成对电子自旋之和，未成对电子的自旋导致原子和分子具有顺磁性。
　　自旋与统计
　　粒子的自旋对于其在统计力学中的性质具有深刻的影响，具有半整数自旋的粒子遵循费米-狄拉克统计，称为费米子，它们必须占据反对称的量子态（参阅可区分粒子），这种性质要求费米子不能占据相同的量子态，这被称为泡利不相容原理。另一方面，具有整数自旋的粒子遵循玻色-爱因斯坦统计，称为玻色子，这些粒子可以占据对称的量子态，因此可以占据相同的量子态。对此的证明称为自旋统计理论，依据的是量子力学以及狭义相对论。事实上，自旋与统计的联系是狭义相对论的一个重要结论。自旋
spin 粒子内禀角动量或内禀角动量量子数的简称。每个粒子都具有特有的自旋。粒子自旋角动量遵从角动量的普遍规律， ，J为自旋角动量量子数，J＝0，1／2，1，3／2，……
自旋为半奇数的粒子称为费米子，服从费米-狄拉克统计；自旋为0或整数的粒子称为玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计 。复合粒子的自旋是其内部各组成部分之间相对轨道角动量和各组成部分自旋的矢量和（分为JJ耦合和LS耦合），即按量子力学中角动量相加法则求和。已发现的粒子中，自旋为整数的，最大自旋为4；自旋为半奇数的，最大自旋为3／2。 典型的费米子：电子，夸克，中微子等等 典型的玻色子：光子，介子，胶子等等附图
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参 考 资 料2
从星系自转到粒子自旋
2009年06月14日 “山不转哪水在转，水不转哪云在转……” 我们知道，旋转是自然界的一种普遍现象；大到星系，小到微观粒子都与旋转密不可分。没有旋转，宇宙就是一盘散沙，没有星系，没有地球，没有人类；同样也没有分子、原子，甚至也许连基本粒子也不会有。
　　花样滑冰与角动量守恒
　　旋转可分为两种：假如一个物体绕着另一个物体旋转，我们叫这为“轨道运动”，天文学上叫“公转”；假如一个物体绕着自身的轴旋转，我们就叫“自转”。这种区分，你只要对照一下地球的运动，很快就会明白。当然，自然界的多数物体像地球一样既有公转，又有自转。
　　在中学物理里我们学到，一个做直线运动的物体运动快慢，可以用速度来表示。那么一个物体在做旋转运动，其运动快慢又该用什么来衡量呢？当然在这种时候，还是可以用速度来衡量，只是不够方便。物理学上引进一套与角度相关的物理量，比方周期、频率、角速度等等，角动量也是其中的一种。
　　什么叫角动量？对于一个绕定点转动的物体，物理学上定义它的角动量等于质量乘以速度（大家知道，这就是动量），再乘以该物体与定点（或转轴）的距离。像动量一样，角动量也是矢量，也就是说它不仅有大小，还有方向。
　　动量有动量守恒定律，角动量也有角动量守恒定律。角动量守恒定律说，一个转动的物体，如果不受外力矩作用，它的角动量就不会改变。例如一个花样滑冰运动员，当她在旋转过程中（转轴是腿所在的直线）突然把手臂收起来，这时质心与转轴的距离变小，她的旋转速度就会加快，因为只有这样才能保证角动量不变。假如你下次看花样滑冰比赛，请多注意一下，看看是不是这样的。
　　宏观与微观分道扬镳
　　与两种旋转运动相对应，角动量也可分为两种：轨道角动量和自转角动量（对于微观粒子叫自旋角动量），分别用来衡量物体的轨道运动和自转运动。
　　对于宏观物体，角动量和一切经典力学量一样是连续的，但对于微观粒子，就完全不同了。在那儿，角动量也像能量一样变得不连续，一份一份的了，这叫量子化。对应于角动量的不连续，粒子运动的轨道也是不连续的。就好比说，在经典力学里，整个操场都可供你跑；而到了量子的世界，只有几条有限的、分离的跑道让你跑，别的地方一律写着“仓库重地，闲人莫入”。
　
　　在物理学史上，这个意义重大的发现是由丹麦物理学家玻尔首先提出来的。1911年，26岁的玻尔到剑桥大学著名物理学家卢瑟福手下工作。当时卢瑟福已经通过实验建立了原子的有核模型。根据这个模型，像不倒翁一样居于原子中心的是很重的、带正电的原子核，核外带负电的电子绕着它作轨道运动。可是这个模型当时遇到很大的难题。因为按照当时人们的知识，绕核运动的电子作圆周运动，圆周运动是一种变速运动，因此一定会辐射电磁波。而电磁波是一种能量，由于辐射电磁波，损失了能量，电子会在1纳秒的时间内落入原子核。这样一来就不可能有稳定的原子存在。可事实上，多数原子是很稳定的。
　　为了解决这个问题，玻尔于1913年将量子化的概念用到原子模型中，提出了著名的玻尔氢原子模型。在这个模型中，他引入了三个关键的假设，其中一个就是角动量量子化假设：电子的角动量只允许是某个常数的整数倍。这个常数叫普朗克常数，是一个非常小、但在微观世界里又是很基本的量。玻尔模型取得了巨大成功，此后很多实验都证实了这一假说。今天，角动量量子化已经是现代物理学的基本概念了。
　　微观世界奇特的自旋
　　那时人们还不知道电子有自旋，所以上面所说的“电子的角动量”指的是电子的轨道角动量。后来，从1921年到1925年，物理学家们经过一系列实验和探索，发现电子有自旋；电子的自旋不依赖于轨道运动，是它自身固有的特征。电子的自旋量子数是1/2，它在磁场中有两个取向，一个是顺着磁场方向，一个是逆着磁场方向。
　　除了电子，后来人们发现所有微观粒子都有自旋。现在，对于粒子物理学家来说，当他们描述一个基本粒子的时候，自旋量子数是跟质量、电荷一样重要的物理量。假如他们发现两个粒子，质量、电荷完全相同，只是自旋量子数不同，他们也会把它们当作两类不同的粒子。也许我们也可以借鉴物理学家的这种办法来区分两个双胞胎，比方说这是自旋朝上的小明，那是自旋朝下的小明。这样，我们既知道他俩是双胞胎，又知道是不同的人。
　　根据粒子的自旋状态，可以将它们分为两大类：自旋量子数为半整数(即1/2，3/2等等)的粒子称为费米子。质子和中子的自旋量子数与电子一样，都是1/2，所以它们都是费米子。自旋量子数为整数(即0，1，2，3等等)的粒子称为玻色子，光子的自旋为1，所以它是玻色子。已发现的粒子中，自旋为整数的，最大自旋为4；自旋为半奇数的，最大自旋为3/2。费米子和玻色子在统计力学上的性质是完全不相同的。