电子自旋

对自旋的认识

•06080 杨芳

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。钠原子发射光谱D线位置存在靠得很近的双线。1925年乌伦贝克(Uhlenbeck)和古兹密特(Goudsmit)提出了原子光谱精细结构的解释，即电子除了绕原子核运动的轨道角动量外还有内在的角动量。如果把电子描绘成一个带电的球，绕着它的一个直径自旋，就可以看出这样一个内在角动量是如何产生的。因此有了自旋角动量的名称，或更简单地说成是自旋。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。

然而，电子“自旋”不是一个经典的效应，一个电子绕其一个轴旋转的图象不应当看成是反映了物理真实性。内在角动量是真实的，但是没有一个容易想象的模型可以适当地解释它的起源．基于我们在宏观世界的经验中取得的模型，不能希望对微观粒子获得一个适当的理解。除电子外，其他的基本粒子也有“自旋”角动量。1928年狄拉克创立的相对论量子力学中，电子自旋是自然出现的。但在非相对论量子力学中，电子自旋必须作为一个附加的假设引入。

电子自旋与轨道角动量的不同之处：①电子自旋纯粹是一种量子特征，它没有对应的经典物理量，不能由经典物理量获得其算符。电子自旋虽具有角动量的力学特征，但不能像轨道角动量那样表达成坐标和动量的函数，即电子自旋是电子内部状态的反映，它是描述微观粒子的又一个动力学变量，是继之后的描写电子自身状态的第四个量；②电子自旋值不是

的整数倍而只能是/2；③电子自旋的回转磁比率是电子轨道运动回转磁比率的两倍。

把具有半整数自旋特征（s=1/2或-1/2）的粒子叫着费米子，而把具有整数自旋特征(s=0,1)的粒子叫着玻色子。我们已经证明了等同粒子的波函数有两种可能的情况，对称的和反对称的。实验证据指出对费米子来说，只存在反对称的情形。于是我们又增加了一个量子力学公设：电子体系的函数对交换任意两个电子必须是反对称的。

泡利不相容原理：一个轨道上最多只能容纳两个电子，并且这两个电子必须保持自旋相反。

泡利排斥原理：自旋相同的电子在空间彼此靠近的几率很小，它们要倾向于

彼此分开。

洪特规则：电子在能量相同的轨道上分布时，总是尽可能以自旋相同的方向分占不同的轨道，这种排列方式，原子的能量最低，体系较稳定。

洪特规则的推论是等价轨道上的电子排布在半充满、全充满、全空的状是比较稳定的。