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1、自旋量子数简 介自 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
2、分 量 。ms +或 -1/2。 用 例通 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 。 定 义 及 发 展自 旋 量 子 数 是 描 写 电 子 自 旋 运 动 的 量 子 数 。是 电 子 运 动 状态 的 第 四 个 量 子 数 。1921年 ，德 国 施 特 恩 （Otto Stern，18881969）和 格 拉 赫 （Walter Gerlach，18891979）在 实 验 中 将 碱金 属 原 子 束 经 过 一 不 均 匀 磁 场 射 到 屏 幕 上 时 ，发 现 射 线 束 分裂 成 两
3、 束 ，并 向 不 同 方 向 偏 转 。这 暗 示 人 们 ，电 子 除 了 有 轨 道运 动 外 ，还 有 自 旋 运 动 ，是 自 旋 磁 矩 顺 着 或 逆 着 磁 场 方 向 取向 的 结 果 。于 是 1925年 荷 兰 物 理 学 家 乌 仑 贝 克 （George Uhlenbeck，1900）和 哥 希 密 特 （Goudsmit，19021978）提 出电 子 有 不 依 赖 于 轨 道 运 动 的 、固 有 磁 矩 （即 自 旋 磁 矩 ）的 假 设 。自 旋 量 子 数 s1/2，它 是 表 征 自 旋 角 动 量 的 量 子 数 ，相 应 于 轨道 角 动 量 量 子
4、 数 。自 旋 磁 量 子 数 ms 才 是 描 述 自 旋 方 向 的 量子 数 。ms= 1/2，表 示 电 子 顺 着 磁 场 方 向 取 向 ，用 表 示 ，说 成逆 时 针 自 旋 ；ms=-1/2表 示 逆 着 磁 场 方 向 取 向 ，用 表 示 ，说 成顺 时 针 自 旋 。当 两 个 电 子 处 于 相 同 自 旋 状 态 时 叫 做 自 旋 平 行 ，用 符 号 或 表 示 。当 两 个 电 子 处 于 不 同 自 旋 状 态 时 ，叫 做自 旋 反 平 行 ，用 符 号 或 表 示 。 直 接 从Schrödinger 方 程 得 不 到 第 四 个 量 子 数
5、 自 旋 量 子 数ms，它 是 根 据 后 来 的 理 论 和 实 验 要 求 引 入 的 。精 密 观 察 强 磁场 存 在 下 的 原 子 光 谱 ，发 现 大 多 数 谱 线 其 实 由 靠 得 很 近 的 两条 谱 线 组 成 。这 是 因 为 电 子 在 核 外 运 动 ，还 可 以 取 数 值 相 同 ，方 向 相 反 的 两 种 运 动 状 态 ，通 常 用 和 表 示 。 自 旋 的 分 类基 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
6、 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 。 在 量 子 力 学 中 ，任 何 体 系 的 角 动 量 都 是 量 子 化 的 ，其 取 值 只 能 为 ： S其 中 h 是 约 化 普 朗 克 常 数 ，而 自 旋 量 子 数 是 整 数 或 者 半 整 数(0, 1/2, 1, 3/2, 2,)，自 旋 量 子 数 可 以 取 半 整
7、数 的 值 ，这 是自 旋 量 子 数 与 轨 道 量 子 数 的 主 要 区 别 ，后 者 的 量 子 数 取 值 只能 为 整 数 。自 旋 量 子 数 的 取 值 只 依 赖 于 粒 子 的 种 类 ，无 法 用现 有 的 手 段 去 改 变 其 取 值 （不 要 与 自 旋 的 方 向 混 淆 ，见 下 文 ）。例 如 ，所 有 电 子 具 有 s = 1/2，自 旋 为 1/2的 基 本 粒 子 还 包括 正 电 子 、中 微 子 和 夸 克 ，光 子 是 自 旋 为 1的 粒 子 ，理 论 假 设的 引 力 子 是 自 旋 为 2的 粒 子 ，理 论 假 设 的 希 格 斯 玻 色
8、 子 在 基 本粒 子 中 比 较 特 殊 ，它 的 自 旋 为 0。 次 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
9、 子 能 量 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 。 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
10、 分 子 具 有 顺 磁 性 。 自 旋 与 统 计粒 子 的 自 旋 对 于 其 在 统 计 力 学 中 的 性 质 具 有 深 刻 的 影 响 ，具 有 半 整 数 自 旋 的 粒 子 遵 循 费 米 -狄 拉 克 统 计 ，称 为 费 米 子 ，它 们 必 须 占 据 反 对 称 的 量 子 态 （参 阅 可 区 分 粒 子 ），这 种 性 质要 求 费 米 子 不 能 占 据 相 同 的 量 子 态 ，这 被 称 为 泡 利 不 相 容 原理 。另 一 方 面 ，具 有 整 数 自 旋 的 粒 子 遵 循 玻 色 -爱 因 斯 坦 统 计 ，称 为 玻 色 子 ，这 些 粒 子 可 以
11、 占 据 对 称 的 量 子 态 ，因 此 可 以 占据 相 同 的 量 子 态 。对 此 的 证 明 称 为 自 旋 统 计 理 论 ，依 据 的 是量 子 力 学 以 及 狭 义 相 对 论 。事 实 上 ，自 旋 与 统 计 的 联 系 是 狭义 相 对 论 的 一 个 重 要 结 论 。 编 辑 本 段 应 用自 旋 的 直 接 的 应 用 包 括 ：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
12、 象 ，发展 创 新 磁 性 材 料 和 器 件 的 学 科 分 支 称 为 自 旋 电 子 学 。11B 有原子的角 动量 以及原子核的角动量 原子的角动量决定于核外电子。比如 11B 原子， 核外有5个电子，分布在1s 轨道2个， 2s 轨道2个， 2p 轨道1个。其中占居在2p 轨道的电子决定着原子的总角动量。总角动量来自于轨道角动量 和自旋角动量的矢量加和。p 轨道的轨道角动量量子数是1， 电子本身的自旋角 动量是 1/2。二者耦合形成总角动量量子数为 1/2 或 3/2。其中 J=1/2是基态。 而在核磁共振中，核磁共振谱的形状等决定于原子核的总角动量。原子核的总角动量来自于以下几个
13、方面：中子的轨道角动量和自旋角动量，质子的轨道角动量和自旋角动量。以上4个角动量耦合成原子核的总角动量。会有多个可能值。其中 总角动量量子数为 3/2 的态 是基态。 对于原子，人们说到自旋时，是指电子的自旋，正如你所说，电子的自旋量子数是1/2 ， 考虑空间取向后 有 1/2 和 -1/2 两个值。而对于原子的总角动量，人们直接以 “原子的总角动量”来称呼，无简称。 而对于原子核，人们习惯于把原子核的总角动量称呼为 核自旋。这样的称呼与电子、中子、质子的自旋共用了同一个词汇（即 自旋），但是没办法，人们就习惯于这么称呼。 总而言之一句话：核自旋 是指原子核的总角动量，产生于 质子、中子的轨道和自旋角动量的耦合。31
