量子物理-自旋假說(shuō)省公開課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)

自旋假說(shuō)自旋假說(shuō)5/5/202418第1頁(yè)空間量子化假設(shè)塞曼發(fā)覺(jué)在強(qiáng)磁場(chǎng)中原子光譜線分裂成三條譜線后，人們?cè)谌醮艌?chǎng)下陸續(xù)觀察到一些更復(fù)雜分裂現(xiàn)象。為了區(qū)分原先三分裂，稱這種現(xiàn)象為反常塞曼效應(yīng)。19，索墨菲提出：電子運(yùn)動(dòng)軌道平面只能取一些特定方位，這叫空間量子化假設(shè)。利用空間量子化假設(shè)在玻爾假說(shuō)基礎(chǔ)上能夠說(shuō)明譜線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中發(fā)生分裂現(xiàn)象：電子繞核運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)圓電流，在垂直于軌道平面上要產(chǎn)生磁矩：這個(gè)磁矩在外磁場(chǎng)中要受到磁力矩作用，從而產(chǎn)生附加能量：因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)軌道平面空間取向是量子化，由此產(chǎn)生附加能量也應(yīng)該是量子化。5/5/202428第2頁(yè)斯特恩—蓋拉赫試驗(yàn)1922年，斯特恩與蓋拉赫讓基態(tài)銀原子束經(jīng)過(guò)不均勻磁場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示原子束分裂成兩束。這現(xiàn)象表明，原子含有磁矩，其空間取向是量子化。當(dāng)原子經(jīng)過(guò)不均勻磁場(chǎng)時(shí)，要受到磁力作用而偏轉(zhuǎn)：從原子束分裂情況就能夠推斷原子磁矩在z軸上投影取值。試驗(yàn)結(jié)果直接證實(shí)了空間量子化假設(shè)。但從試驗(yàn)結(jié)果得知，原子即使處于基態(tài)也有磁矩，而且磁矩有兩個(gè)空間取向，不是奇數(shù)。因?yàn)榫鶆虼艌?chǎng)含有軸對(duì)稱性，由軌道運(yùn)動(dòng)引發(fā)磁矩必定有奇數(shù)個(gè)空間取向。5/5/202438第3頁(yè)精細(xì)結(jié)構(gòu)與偶數(shù)分裂利用高分辨率光譜儀觀察堿金屬光譜時(shí)發(fā)覺(jué)，原來(lái)每一條光譜線實(shí)際上由若干條譜線組成，這個(gè)現(xiàn)象被稱為光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)還發(fā)覺(jué)，在弱磁場(chǎng)中，原子光譜線含有比正常塞曼效應(yīng)更為復(fù)雜偶數(shù)分裂現(xiàn)象，即反常塞曼效應(yīng)。因?yàn)樽V線波長(zhǎng)取決于電子始態(tài)和終態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)，所以，上述現(xiàn)象說(shuō)明，原子能級(jí)有極小分裂。由軌道運(yùn)動(dòng)而引發(fā)能級(jí)分裂(m取值)只能是奇數(shù)，所以，這種能級(jí)分裂不可能起因于電子軌道運(yùn)動(dòng)。1921年，朗德(ALande)指出，由反常塞曼效應(yīng)看出，磁量子數(shù)m不應(yīng)該有2l+1個(gè)值，而是應(yīng)該有2l個(gè)值：5/5/202448第4頁(yè)機(jī)械自旋假說(shuō)為了解釋這種半數(shù)量子數(shù)，烏倫貝克與高德斯密特提出假設(shè)：電子除了軌道運(yùn)動(dòng)之外，還有自旋運(yùn)動(dòng)，所以，每個(gè)電子都含有自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量在空間任意方向上投影只能取兩個(gè)值：與自旋相聯(lián)絡(luò)磁矩：電子自旋磁矩與自旋角動(dòng)量之比稱為磁旋比這與軌道運(yùn)動(dòng)有顯著差異：電子自旋及其磁矩存在，在史特恩－蓋拉赫試驗(yàn)中得到了直接證實(shí)。5/5/202458第5頁(yè)氫原子斯特恩—蓋拉赫試驗(yàn)1927年，用基態(tài)氫原子重復(fù)了史特恩－蓋拉赫試驗(yàn)。在基態(tài)氫原子中，只有一個(gè)電子繞核運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樘幱诨鶓B(tài)，它軌道角動(dòng)量為零。不過(guò)，試驗(yàn)一樣觀察到氫原子束經(jīng)過(guò)不均勻磁場(chǎng)后分裂成兩束現(xiàn)象。這結(jié)果說(shuō)明了基態(tài)氫原子也有磁矩，它在磁場(chǎng)中有兩種可能取向。這可能是由原子核運(yùn)動(dòng)引發(fā)。不過(guò)，核磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以，觀察到磁矩不可能起源于原子核。這就意味著基態(tài)氫原子磁矩只能來(lái)自電子本身，電子磁矩在磁場(chǎng)中只有兩種可能取向，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，電子內(nèi)部角動(dòng)量所對(duì)應(yīng)量子數(shù)是1/2，這就從試驗(yàn)上直接證實(shí)了電子自旋假說(shuō)。5/5/202468第6頁(yè)自旋本質(zhì)不過(guò)，烏倫貝克與高德斯密特關(guān)于電子自旋假說(shuō)顯著地帶有機(jī)械性質(zhì)，而且，要使自旋磁矩到達(dá)一個(gè)玻爾磁子，電子自轉(zhuǎn)時(shí)表面速度將到達(dá)光速10倍！盡管如此，因?yàn)檫@個(gè)假說(shuō)成功地說(shuō)明了復(fù)雜原子光譜結(jié)構(gòu)，人們很快就接收了自旋概念。1927年，泡利引入了能夠描寫電子自旋性質(zhì)矩陣，把電子自旋概念納入了量子力學(xué)體系中。1928年，狄拉克把相對(duì)論概念引入量子力學(xué)，創(chuàng)建了相對(duì)論量子力學(xué)。在這個(gè)理論中，滿足相對(duì)論性波動(dòng)方程—狄拉克方程粒子必定含有1/2自旋。所以，電子自旋本質(zhì)上是一個(gè)相對(duì)論效應(yīng)，是電子本身所固有特征。5/5/202478第7頁(yè)電子反常磁矩按攝影對(duì)論量子力學(xué)，在電子自旋磁旋比中，是嚴(yán)格成立。然而，按照以后發(fā)展起來(lái)量子電動(dòng)力學(xué)，因?yàn)檎婵諛O化和電子自能作用，電子含有反常磁矩：精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)因?yàn)殡娮幼孕莿?dòng)量以及對(duì)應(yīng)磁矩是電子固有屬性，所以，