电子自旋--专升本专用-工程化学辅助.ppt

1、1,电子自旋,经典解释,2,1921年史特恩（O. Stein）和盖拉赫 (W. Gerlach) 对银原子射线进行实验，结果发现，银原子射线在非均匀磁场作用下分裂为两条，两者的偏向是上下对称的。如下图所示。,史特恩盖拉赫实验,结果,原子束,S,N,史特恩盖拉赫实验,3,1925年，两位不到25岁的荷兰学生乌仑贝克和古兹米特大胆地提出的电子自旋假设：即电子不是点电荷，它除了轨道角动量外，还有自旋运动，它具有固有的自旋角动量 S。自旋角动量在 z 方向的分量只能有两个，即自旋量子数 s（s=1/2）在 z 方向的分量只能取1/2 ，同时他们还进一步假设朗德(Lande) g 因子为2。,自旋沿着

2、与轨道角动量、分量 Sz 和s, z 有关的磁场 Bl 旋进,l,核,电子,电子像地球一样既有公转又有自转,4,S：自旋角动量； s：自旋磁矩,(a) ms = 1/2,(b) ms = 1/2,电子自旋的经典矢量模型,5,1928年狄拉克 (P. A. M. Dirac) 在相对论的基础上将薛定谔方程做了修改，得到的狄拉克方程，在求解过程中自然引进第四参数 ms，问题才算暂时得到解决。ms 被称做自旋磁量子数，可以取两个数值：+1/2或 -1/2，习惯上用“” “”来表示。由狄拉克理论还求出的电子 gs 因子数值也为 2，正好与乌仑贝克古兹米特的假设相符。,自旋磁量子数 ms,相对论量子力学

3、还预示了正电子等反物质的存在。1932年正电子的发现（1956年发现了反质子和反中子）进一步证明了相对论量子力学的正确性。,6,在量子力学中，有关公式的推导是在这一模型的基础上完成的； 但是微观粒子运动的概率性又不允许有这样的模型存在，其次，由这个模型推导出来的电子表面因自旋而出现切向线速度会大的惊人，这是现有理论所无法解释的，也是实验没法证明的； 尤其是最新的实验结果，它使人们对这一模型和有关理论产生了严重的怀疑。,逻辑上的悖论,7,这就是电子反常磁矩的发现。库什弗利的实验结果很快就由施温格 (J. Schwinger) 给以出色的理论解释：电子不是孤立的，电子本身带电产生的电磁场对电子本身

4、也有作用，这种作用称为自能。对自能的理论计算是靠量子电动力学完成的。电子反常磁矩的发现暴露了狄拉克理论的缺陷。,1947年，库什 (P. Kush) 和弗利 (H. M. Foley) 用当时的新技术微波方法，仔细地测量了电子的 gs 因子，发现它与 2 有一点点偏差（实验精度达十万分之五）：,gs = 2. 002 29 0. 000 08 = 2. 002 29(8) = 2 (1+0. 001 15(4),新的研究成果,8,狄拉克本人在1972年的一次关于量子力学发展的会议上的闭幕词中还这样说到：“在我看来，很显然，我们还没有量子力学的基本定律，我们现在正在使用的定律需要做重要的修改，只

5、有这样，才能使我们具有相对论性的理论。非常可能，从现在的量子力学到将来的相对论量子力学的修改，会像从玻尔轨道理论到目前的量子力学的那种修改一样剧烈。当我们作出这样剧烈的修改之后，当然，我们用统计计算对理论作出物理解释的观念可能会被彻底地修改。”,狄拉克的忧虑,9,它与最新的理论计算值已非常接近。电子的 gs 因子的精度不断提高促进了理论概念的不断深化和实验技术的不断进步。,目前电子 gs 因子的最新实验数据是,gs = 2. 002 319 304 386 0. 000 000 000 008，,10,总之，电子的自旋，其实一点也没有“自旋”的含义，我们最好称呼它为“内禀角动量”；它完全是微观粒子内部的属性，与运动状态毫无关系，它的性质与角动量有些类似，但不能用任何经典语言加以描述，它在经典物理中找不到对应物。,“自能”与“内禀角动量”,11,1. 原子物理学（第三版）. 杨福家著. 北京：高等教育出版社. 70, 104 2. 原子物理学和量子物理学.