自旋（Spin） 是除静质量、电荷外标志各种粒子（ 电子 、 质子 、 中子 ）重要的物理属性。 在 量子力学 中，自旋是电子所具有的内禀性质，标志着电子的一个新的自由度，电子自旋包含自旋 角动量 和 自旋磁矩 两方面内容。自旋角动量仅有ˉ 一个取值，而其在空间任意方向的投影，可能且仅有± 两个取值。自旋磁矩为 （Bohr磁子）。
为了解释 光谱分析 中的矛盾， Uhlenbeck 与 Goudsmit （1925年）首次提出 电子 自旋的概念，认为类似 地球公转 与自转，电子不仅绕核运动，也会 机械化 自旋。H.A. Lorentz根据计算数据指出电子机械化自旋是错误的，之后Stern-Gerlach利用实验在非均匀 磁场 作用下分裂银 原子 射线 证实了电子自旋的内禀性。
自旋理论可应用至信息储存、量子计算、医学等领域。例如电子自旋耗能仅为驱动电子运动耗能的千分之一，因此自旋 电子器件 相比传统 微电子 器件更环保。 而在医学领域，动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）成像技术以水中氢 质子 作为内源性 示踪剂 ，利用脉冲 射频 对 颈动脉 血液中氢质子进行标记，标记与为标记的差异影像，经过多次重复成像得到脑灌注影像，以此辅助对脑血管疾病及 认知障碍 疾病的认识。
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 沃尔夫冈·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后。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后来的相差系数2(Thomas 岁差 )。
尽管他最初反对这个想法， 沃尔夫冈·泡利 还是在1927年形式化了自旋理论，运用了埃尔文·薛定谔和 海森伯格 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 映射 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，描述了 相对论 性的 电子 。在狄拉克方程中，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，泡利证明了“ 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。
尺度
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 （ 、 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。
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， 为自旋角动量 量子数 ， 。
自旋为半 奇数 的粒子称为 费米子 ，服从 恩里科·费米 - 狄拉克 统计；自旋为0或整数的粒子称为 玻色子 ，服从 萨特延德拉·玻色 阿尔伯特·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 。
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 。自旋为 半整数 的 费米子 都服从泡利不相容原理，而 玻色子 都不遵从泡利原理。
自旋的方向
自旋投影 量子数 与自旋多重态
在 经典力学 中，一个粒子的 角动量 不仅有大小（取决于粒子转动的快慢），而且有方向（取决于粒子的旋转轴）。 量子力学 中的自旋同样有方向，但是是以一种更加微妙的形式出现的。
在量子力学中，对任意方向的角动量分量的测量只能取如下值：
其中s是之前章节讨论过的自旋量子数。可以看出对于给定的s，可以取“ ”个不同的值。例如：对于自旋为 的粒子，"sz"只能取两个不同的值， 或 。相应的 量子态 为粒子自旋分别指向+z或-z方向，一般我们把这两个量子态叫做"spin-up"和"spin-down"。
对于一个给定的量子态，可以给出一个自旋 矢量 ，它的各个分量是自旋沿着各坐标轴分量的数学 期望值 ，即。这个矢量描述自旋所指的“方向”，对应于经典物理下旋转轴的概念。这个矢量在实际做 量子力学 计算时并不十分有用，因为它不能被直接精准测量：根据 不确定性原理 ，sx、sy和sz不能同时有确定值。但是对于被置于同一个 量子态 的大量粒子，例如使用施特恩－格拉赫仪器得到的粒子，自旋矢量确实有良好定义的实验意义。
自旋与磁矩
具有自旋的粒子具有磁偶极矩，就如同经典电动力学中转动的带电物体。磁矩可以通过多种实验手段观察，例如，在施特恩-格拉赫实验中受到不均匀 磁场 的偏转，或者测量粒子自身产生的磁场。
一个 基本粒子 ，电量为q，质量为m，自旋为S，则其内禀磁矩为
其中 无量纲量 g称为g- 因数 （g-factor），当仅有轨道 角动量 时， 。
电子 是带电荷的基本粒子，具有非零磁矩。 量子电动力学 理论成功以预测了电子的g-因数，其实验测量值为−2.002 319 304 3622（15）， 括号 中的两位数字为测量的不确定度，来源于 标准差 ，整数部分2来源于狄拉克方程（狄拉克方程是与将电子自旋与其电磁性质联系起来的基本方程）， 小数 部分（0.002 319 304…）来源于电子与周围电磁场的相互作用，其中也包括电子自身的产生的 电磁场 。
自旋与手征性
轻子 是自旋⁄2粒子，只能处于两种自旋态：上旋或下旋。 自旋统计定理 将它们按照自旋归类为 费米子 ，遵守 泡利不相容原理 ，因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的 量子态 。
手征性 与螺旋性（helicity）是与自旋紧密相关的两种性质，螺旋性跟粒子的自旋与 动量 之间的相对方向有关；假若是同向，则粒子具有右手螺旋性，否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量粒子，这相对方向与参考系无关，可是，对于带质量粒子，由于可以借着 洛伦兹变换 来改换参考系，从不同的参考系观察，粒子动量不同，因此翻改螺旋性，可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性，或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。 手征性 是通过 庞加莱群 （Poincaré 基团 ）的变换来定义的性质。对于不带质量粒子， 手征性 与螺旋性一致；对于带质量粒子，手征性与螺旋性有别。
在很多 量子场论 里，例如 量子电动力学 与 量子色动力学 ，并没有对左手与右手 费米子 作任何区分，可是，在标准模型的弱相互作用理论里，按照手征性区分的左手与右手费米子被 非对称 地处理，只有左手费米子参与弱相互作用，右手中微子不存在。这是 宇称 违反的典型例子。
量子数
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，其值只能为：
其中 是约化 普朗克常数 ，s称为自旋 量子数 ，自旋量子数是整数或者 半整数 。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 ，自旋为 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，已经发现的 希格斯玻色子 在基本粒子中比较特殊，它的自旋为0。
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 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 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。
重要性
瑞典皇家科学院 表示， 2007年诺贝尔物理学奖 奖励的是从 电脑硬盘 读取数据的技术根源。 法国 科学家 阿尔贝·费尔 和 德国 科学家格林贝格尔1988年发现的巨磁电阻效应，大大提高了器件性能，使我们的 计算机 HDD 体积越来越小，而容量越来越大。
然而，这项发现的伟大之处还不仅如此。
《 中国科学报 》记者就此采访了该领域4位学者。其中 中国科学院物理研究所 研究员 朱涛 表示：“费尔和格林贝格尔种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗—— 自旋电子学 ，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。”
应用
自旋的直接的应用包括：核磁共振谱、 电子 顺磁共振谱、 质子 密度的 磁共振成像 ，以及巨磁 电阻 硬盘磁头 。自旋可能的应用有自旋场效应 晶体管 等。以电子自旋为研究对象，发展创新磁性材料和器件的学科分支称为自旋电子学。