電子自旋的發(fā)現(xiàn)
在上個世紀二十年代初期，物理學(xué)家們已經(jīng)知道了原子由正負電荷組成，而且正負電荷都有一定的量子化單位：質(zhì)子和電子。他們也知道了原子中有一個小小的核心，叫做原子核，由質(zhì)子和中子組成，而電子則圍繞著核心運動。他們還知道了電子運動的規(guī)律遵循著波粒二象性，即電子既可以表現(xiàn)為粒子，也可以表現(xiàn)為波。
但是，在這個看似完美的理論中，還有一些問題沒有解決。比如說，氫原子光譜中的一些細微差別。氫原子只有一個電子，所以它的光譜應(yīng)該很簡單。但實際上，在氫原子光譜中，有一些線是由兩條非常接近的線組成的，這就是所謂的精細結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家們試圖用相對論效應(yīng)來解釋精細結(jié)構(gòu)，但是還是不能完全符合實驗結(jié)果。
1921年，康普頓提出了一個大膽的假設(shè)：也許電子不僅有軌道角動量，還有自身角動量，或者叫做自旋。他認為電子可以看作是一個帶電荷的小球，在自己周圍旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生一個磁場。這樣一來，電子就有兩種可能的自旋狀態(tài)：順時針或逆時針。康普頓還推測，如果把一個帶有自旋的帶電粒子放在一個外部磁場中，它的能量會發(fā)生變化，因為它的磁矩會和外部磁場產(chǎn)生相互作用，這就是所謂的塞曼效應(yīng)。康普頓用這個假設(shè)來解釋了一些鐵磁物質(zhì)的性質(zhì)，但是他沒有給出電子自旋的具體數(shù)值，也沒有提供實驗證據(jù)。
1922年，斯特恩和格拉赫設(shè)計了一個實驗，來檢驗康普頓的假設(shè)。他們把一束銀原子蒸汽通過一個非均勻的磁場，然后觀察銀原子在屏幕上的分布。如果沒有自旋，那么它們應(yīng)該在屏幕上形成一個連續(xù)的條紋。如果有自旋，并且自旋可以取任意值，那么它們應(yīng)該在屏幕上形成一個模糊的斑點。但是，實驗結(jié)果卻出乎意料：銀原子在屏幕上形成了兩個清晰的點，分別對應(yīng)于兩種不同的自旋方向。這就證明了電子自旋的存在，而且電子自旋是量子化的，只能取兩個離散的值：+1/2或-1/2。這個實驗被稱為斯特恩-格拉赫實驗，是量子力學(xué)史上的一個里程碑。
1925年，古德斯密特和烏倫貝克在知道了斯特恩-格拉赫實驗的結(jié)果后，提出了一個更完善的電子自旋理論。他們認為電子自旋不是由電子真正的空間旋轉(zhuǎn)造成的，而是一種內(nèi)稟的量子屬性。他們還引入了第四個量子數(shù)：自旋量子數(shù)ms，來描述電子自旋的狀態(tài)。ms只能取+1/2或-1/2兩個值，分別對應(yīng)于向上或向下的自旋方向。他們用這個理論來解釋了氫原子光譜中的精細結(jié)構(gòu)，并且得到了很好的符合。
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- 發(fā)表于 2024-09-11 17:41
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