电子自旋角动量.pdf

第七章 电子自旋角动量 实验发现，电子有一种内禀的角动量，称为自旋角动量， 它源于电子内禀性质,一种非定域的性质，一种量级为相对论 性修正的效应。 本来，在 Dirac 相对论性电子方程中，这个角动量很自 然地以内禀方式蕴含在该方程的旋量结构中。在对相对论性 电子方程作最低阶非相对论近似，以便导出  Schrodinger 方程的 时候，人为丢弃了这种原本属于相对论性的自旋效应。于是， 现在从  方程出发研究电子非相对论性运动时，自旋 Schrodinger 作用就表现出是一种与电子位形空间运动没有直接关系的、 外加的自由度，添加在  Schrodinger 方程上。到目前为止，非相 对论量子力学所拟定的关于它的一套计算方法，使人们能够 毫无困难地从理论上预测实验测量结果并计算它在各种实 验场合下运动和变化。但是，整个量子理论对这个内禀角动 量（以及与之伴随的内禀磁矩）物理根源的了解依然并不很 透彻 1 。 §7.1 电子自旋角动量 1, 电子自旋的实验基础和其特点 早期发现的与电子自旋有关的实验有：原子光谱的精细 结构 （比如，对应于氢原子 的跃迁存在两条彼此很靠 2p 1s 近的两条谱线，碱金属原子光谱也存在双线结构等）；1912 1 杨振宁讲演集，南开大学出版社，1989 年 155 年反常 Zeeman 效应，特别是氢原子谱线在磁场中的偶数重 分裂 ，无法用轨道磁矩与外磁场相互作用来解释，因为这 只能将谱线分裂为2l 1 奇数重；1922 年 Stern—Gerlach 实 验，实验中使用的是顺磁性的中性银原子束，通过一个十分 不均匀的磁场，按经典理论，原子束不带电，不受 Lorentz 力作用。由于银原子具有一个永久磁矩，并且从高温下蒸发 飞出成束时其磁矩方向必定随机指向、各向同性的。于是在 穿过非均匀磁场时，磁矩和磁场方向夹角也是随机的。从而 银原子束在通过磁场并接受非均匀磁场力的作用之后，应当 在接受屏上相对于平衡位置散开成一个宽峰，但实验却给出 彼此明显对称分开的两个峰，根据分裂情况的实测结果为 ±μB ，数值为Bohr 磁子。 在上述难以解释的实验现象的压力下， 1925 年 Uhlenbeck 和 Goudsmit 大胆假设：电子有一种内禀的（相对   s , 于轨道角动量而言）角动量 ，其数值大小为 ，这种内禀 2  角动量在任意方向都只能取两个值，于是有s  。他们认 z 2 为这个角动量起源于电子的旋转，因此他们称之为自旋。为 