量子物理 自旋假说.ppt

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1、自旋假说自旋假说7/17/202118空间量子化假设塞曼发现在强磁场中原子的光谱线分裂成三条谱线后，人们在弱磁场下陆续观测到一些更复杂的分裂现象。为了区分原先的三分裂，称这种现象为反常塞曼效应。1916年，索墨菲提出：电子运动的轨道平面只能取某些特定的方位，这叫空间量子化假设。利用空间量子化假设在玻尔假说的基础上可以说明谱线在匀强磁场中发生分裂的现象：电子绕核运动相当于一个圆电流，在垂直于轨道平面上要产生磁矩：这个磁矩在外磁场中要受到磁力矩的作用，从而产生附加的能量：由于电子运动轨道平面的空间取向是量子化的，由此产生的附加能量也

2、应该是量子化的。7/17/202128斯特恩—盖拉赫实验1922年，斯特恩与盖拉赫让基态银原子束通过不均匀磁场进行实验，结果显示原子束分裂成两束。这现象表明，原子具有磁矩，其空间取向是量子化的。当原子通过不均匀的磁场时，要受到磁力的作用而偏转：从原子束的分裂情况就可以推断原子的磁矩在z轴上的投影的取值。实验结果直接证实了空间量子化假设。但从实验的结果得知，原子即使处于基态也有磁矩，并且磁矩有两个空间取向，不是奇数。由于均匀磁场具有轴对称性，由轨道运动引起的磁矩必定有奇数个空间取向。7/17/202138精细结构与偶数分裂利用高分

3、辨率的光谱仪观测碱金属的光谱时发现，原来的每一条光谱线实际上由若干条谱线组成，这个现象被称为光谱线的精细结构。实验还发现，在弱磁场中，原子的光谱线具有比正常塞曼效应更为复杂的偶数分裂现象，即反常塞曼效应。由于谱线的波长取决于电子始态和终态的能级结构，因此，上述现象说明，原子的能级有极小的分裂。由轨道运动而引起的能级分裂(m的取值)只能是奇数，因此，这种能级的分裂不可能起因于电子的轨道运动。1921年，朗德(ALande)指出，由反常塞曼效应看出，磁量子数m不应该有2l+1个值，而是应该有2l个值：7/17/202148机械的自旋

4、假说为了解释这种半数量子数，乌伦贝克与高德斯密特提出假设：电子除了轨道运动之外，还有自旋运动，因此，每个电子都具有自旋角动量自旋角动量在空间任意方向上的投影只能取两个值：与自旋相联系的磁矩：电子的自旋磁矩与自旋角动量之比称为磁旋比这与轨道运动有明显差别：电子自旋及其磁矩的存在，在史特恩－盖拉赫实验中得到了直接的证实。7/17/202158氢原子的斯特恩—盖拉赫实验1927年，用基态氢原子重复了史特恩－盖拉赫实验。在基态氢原子中，只有一个电子绕核运动，由于处于基态，它的轨道角动量为零。但是，实验同样观测到氢原子束通过不均匀的磁场后

5、分裂成两束的现象。这结果说明了基态氢原子也有磁矩，它在磁场中有两种可能的取向。这也许是由原子核的运动引起的。但是，核磁矩比电子磁矩小三个数量级，因此，观测到的磁矩不可能来源于原子核。这就意味着基态氢原子的磁矩只能来自电子本身，电子磁矩在磁场中只有两种可能的取向，这个结果说明，电子的内部角动量所对应的量子数是1/2，这就从实验上直接证实了电子自旋的假说。7/17/202168自旋的本质不过，乌伦贝克与高德斯密特关于电子自旋的假说明显地带有机械的性质，而且，要使自旋磁矩达到一个玻尔磁子，电子自转时表面的速度将达到光速的10倍！尽管如

6、此，由于这个假说成功地说明了复杂原子的光谱结构，人们很快就接受了自旋的概念。1927年，泡利引入了能够描写电子自旋性质的矩阵，把电子自旋的概念纳入了量子力学的体系中。1928年，狄拉克把相对论的概念引入量子力学，创立了相对论量子力学。在这个理论中，满足相对论性波动方程—狄拉克方程的粒子必定具有1/2的自旋。因此，电子自旋本质上是一种相对论效应，是电子自身所固有的特性。7/17/202178电子的反常磁矩按照相对论量子力学，在电子自旋的磁旋比中，是严格成立的。然而，按照后来发展起来的量子电动力学，由于真空极化和电子自能的作用，电子

7、具有反常磁矩：精细结构常数由于电子的自旋角动量以及相应的磁矩是电子的固有属性，因此，通常称之为内禀角动量和内禀磁矩。按照现代物理学的观点，自旋和内禀磁矩是标志微观粒子的重要物理量，是除了静质量与电荷之外，微观粒子的另一个自由度。7/17/202188