《量子力学》第24讲电子自旋与自旋算符.pptx

1量子力学电子自旋与自旋算符

2在较强的磁场下（102T），我们发现一些类氢离子或碱金属原子有正常塞曼效应的现象，而轨道磁矩的存在，能很好地解释它。但是，当这些原子或离子置入弱磁场~1T的环境中，或光谱分辨率提高后，发现问题并不是那么简单，这就要求人们进一步探索。自旋

3电子自旋电子的基本性质之一。电子内禀运动或电子内禀运动量子数的简称。1925年G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特在分析原子光谱的一些实验结果时，提出电子具有内禀运动——自旋，并且有与电子自旋相联系的自旋磁矩。由此可以解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应。1928年狄拉克提出电子的相对论波动方程，方程中自然地包括了电子自旋和自旋磁矩。电子自旋是量子效应，不能作经典的理解，如果把电子自旋看成绕轴的旋转，则得出与相对论矛盾的结果。从历史上看，电子自旋先由实验上发现，然后才由狄拉克（Dirac）方程从理论上导出的。进一步研究表明，不但电子存在自旋，中子、质子、光子等所有微观粒子都存在自旋，只不过取值不同。自旋和静质量、电荷等物理量一样，也是描述微观粒子固有属性的物理量。在电子自旋的学习中，首先要了解电子自旋的实验依据及自旋假设，重点掌握电子自旋的描述，同时能应用电子自旋的理论解释原子光谱现象。

4目录一、史特恩－盖拉赫实验与电子自旋二、自旋态与自旋波函数三、自旋角动量算符与泡里算符四、自旋算符的矩阵表示五、例题

5一、电子自旋实验(1)1921－1922年间史特恩－盖拉赫实验氢、银或钠原子炉（只有一个价电子）施特恩(O.Stern，1888-1969)美国实验物理学家，格拉赫(W.Gerlach.1899-1979)德国实验物理学家，施特恩发现分子射线和质子的磁矩，1943年获得诺贝尔物理学奖。

6一、电子自旋实验(2)所以，可以从受力的角度来分析实验

7一、电子自旋实验(3)

8一、电子自旋现象(4)

9一、电子自旋实验(5)所以，电子偏转必然不来自轨道磁矩

10一、电子自旋实验(6)

11一、电子自旋实验(7)乌仑贝克与古兹米特（1925年，时年不到25岁的荷兰学生）

12在电子自旋假设的基础上发展起来的量子理论，不仅可以解释史特恩－盖拉赫实验，而且可以解释碱金属原子光谱的双线结构和反常塞曼效应等，终为人们所接受。它揭示出电子具有自旋这种内禀属性，是一种量子效应，没有经典对应。就是说，电子的自旋是量子概念，不能同宏观粒子的自旋机械运动简单对应。一、电子自旋实验(8)一个假设、三个实验

13一、电子自旋实验(9)银、钠多电子原子如何解释？与氢一样内壳层电子一个价电子

14一、电子自旋实验(10)

15一、电子自旋实验(11)返

16二、自旋态与自旋波函数(1)r是空间变量

17二、自旋态与自旋波函数(2)

18二、自旋态与自旋波函数(3)积分代表对空间归一化求和代表对自旋归一化

19二、自旋态与自旋波函数(4)

20二、自旋态与自旋波函数(5)

21三、自旋角动量算符与泡里算符(1)

22三、自旋角动量算符与泡里算符(2)

23三、自旋角动量算符与泡里算符(3)泡利(1900～1958)瑞士籍奥地利理论物理学家，1945年诺贝尔物理学奖

24三、自旋角动量算符与泡里算符(4)任何一个泡里算符都可以用另两个的乘积表示

25三、自旋角动量算符与泡里算符(5)

26三、自旋角动量算符与泡里算符(6)返还没有完全回答！

27四、自旋算符的矩阵表示(1)

28四、自旋算符的矩阵表示(2)

29四、自旋算符的矩阵表示(3)

30四、自旋算符的矩阵表示(4)

31四、自旋算符的矩阵表示(5)

32四、自旋算符的矩阵表示(6)返

33五、例题（1）

34五、例题（2）例1(1)

35五、例题（3）例1(2)

36五、例题（4）例2（1）

37五、例题（5）例2（2）

38五、例题（6）例2（3）返

39例1：某力学量在 表象中的矩阵为由系数行列式

40 代入方程得代入方程得

41的本征值所相应的本征矢在表象中的表示为所相应的本征矢在表象中的表示为

42具体看 的本征矢在中的表示为由表象到表象的变换矩阵为

43而我们知，算符在自身表象中的矩阵表示是对角的，对角元为其本征值