2020-04-24 18:00:02

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力学
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自旋磁量子数用ms表示。除了量子力学直接给出的描写原子轨道特征的三个量子数n、l和m之外,还有一个描述轨道电子特征的量子数,叫做电子的自旋磁量子数ms。原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外,也还有自旋运动。电子有两种不同方向的自旋,即顺时针方向和逆时针方向的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。

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基本信息

  • 中文名

    自旋量子数

  • 英文名称

    spin quantum number

  • 应用学科

    物理(一级学科)

  • 定义

    对应的量子数叫自旋量子数

折叠 编辑本段 基本简介

顺时针方向和逆时针方向的自旋-模型图顺时针方向和逆时针方向的自旋-模型图原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外,也还有自旋运动。电子有两种不同方向的自旋,即顺时针方向和逆时针方向的自旋。 它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。ms=+或-1/2。

通常用向上和向下的箭头来代表,即↑代表正方向自旋电子,↓代表逆方向自旋电子。

折叠 编辑本段 发展历程

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。自旋量子自旋量子

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 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·薛定谔和沃纳·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,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。

折叠 编辑本段 基本分类

折叠 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。

折叠 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。

折叠 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。

折叠 编辑本段 应用范畴

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。

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