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量子力學(xué)科普：電子自旋，一種在宏觀世界無法理解的特殊運(yùn)動(dòng) 相信喜歡量子力學(xué)的讀者一定聽說過這樣一個(gè)名詞：自旋，的確，每一個(gè)微觀粒子都存在自旋這種現(xiàn)象，但微觀粒子的自旋行為又與宏觀物體的自旋行為截然不同，在宏觀世界又找不到相同的現(xiàn)象作為參考，所以微觀粒子的自旋是很難理解的，而在互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于粒子自旋介紹的更是少之又少，往往都是簡(jiǎn)單介紹一下定義與公式，這篇文章以電子自旋為例，和大家一起聊一聊在微觀世界中，自旋究竟是一種什么樣的行為。 自旋，量子力學(xué)對(duì)自旋的定義是：由粒子內(nèi)稟角動(dòng)量引起的內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)，好吧，我相信大多數(shù)人看了這個(gè)定義之后還是無法理解自旋是什么，由粒子內(nèi)稟角動(dòng)量引起的內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)，這個(gè)解釋實(shí)在是太抽象，角動(dòng)量是什么？我們可以通俗的將角動(dòng)量理解為一個(gè)描述物質(zhì)旋轉(zhuǎn)的物理量，角動(dòng)量等于質(zhì)量×半徑平方×角速度，微觀粒子的旋轉(zhuǎn)可以分為兩種，第一種是自旋角動(dòng)量，第二種是軌道角動(dòng)量，如果是質(zhì)子、中子、原子核這種復(fù)合粒子，那么復(fù)合粒子的自旋就等于自旋角度量與軌道角動(dòng)量之和。 下面來講一講自旋，從字面上來理解，就是代表這物體沿軸做自我旋轉(zhuǎn)，例如：地球沿著地軸做自轉(zhuǎn)，這里以電子為例，如果將宏觀物質(zhì)的自轉(zhuǎn)概念直接套用到帶電子身上，那么電子自旋也就是電子沿著電子中心軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)，可問題來了：電子是一種不可再分的點(diǎn)粒子，點(diǎn)粒子有點(diǎn)類似于物理中質(zhì)點(diǎn)的概念，點(diǎn)粒子是沒有體積的，那么一個(gè)不存在體積的電子如何沿著中心軸自轉(zhuǎn)呢？因?yàn)椴淮嬖隗w積，就根本不會(huì)存在中心軸的概念，所以將宏觀物體自轉(zhuǎn)的概念直接套用到電子身上是根本解釋不通的。 早在1925年，著名物理學(xué)家泡利手下的兩個(gè)助手就結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出了電子存在自旋的行為，結(jié)果被泡利大罵了一頓，因?yàn)槿绻麑㈦娮拥淖孕斫獬珊暧^物體的自轉(zhuǎn)，那么電子表面的速度就要超越光速，這顯然違背了相對(duì)論中光速最快的定論（如果當(dāng)時(shí)泡利沒有大罵這兩個(gè)助手，而是認(rèn)真的分析、總結(jié)，可能泡利就是第一個(gè)提出自旋行為的物理學(xué)家，那么泡利將會(huì)提前20年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。 既然電子的自旋并不是宏觀物質(zhì)的自轉(zhuǎn)，那么我們應(yīng)該如何理解電子自旋呢？ 其實(shí)電子的自旋是一個(gè)很抽象的概念，因?yàn)槲覀儫o法在宏觀世界中去找一個(gè)類似的現(xiàn)象來理解自旋，但種種的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象例如電子具有磁場(chǎng)等又表明電子的確存在著自旋這種行為，所以物理學(xué)家只能稱自旋是粒子的一種內(nèi)稟屬性，什么叫內(nèi)稟屬性呢？也就是說：電子生下來就具有這種特質(zhì)，就像電子生下來就具有電荷、質(zhì)量等物理量一樣，自旋與電荷、質(zhì)量一樣，都是用于描述電子的物理量，但如果要是問：電子這種奇怪的自旋運(yùn)動(dòng)究竟是怎么產(chǎn)生的？它的運(yùn)作原理是什么？那么對(duì)不起，不知道，如果你問物理學(xué)家電子自旋是如何產(chǎn)生的？得到的答案也一定是：不知道，也不需要去刻意的在意它，乖乖計(jì)算就好。 其實(shí)，不單單是自旋在宏觀世界找不到參考的對(duì)象，粒子身上出現(xiàn)的太多量子效應(yīng)都在宏觀世界找不到參考的對(duì)象，例如：不確定性、量子糾纏、量子隧穿、量子相變等等。 除了粒子自旋與宏觀世界的物質(zhì)自轉(zhuǎn)行為不同之外，兩者的表達(dá)方式也完全不同，宏觀物質(zhì)的自旋角動(dòng)量可以去任意值，但微觀粒子的自旋角動(dòng)量只能是量子化的，也就說：粒子自旋也只能取某個(gè)特定值的整數(shù)倍，自旋數(shù)為整數(shù)（0、1、2）的粒子被稱為玻色子，例如：光子，自旋為半整數(shù)（1/2、3/2）的粒子被稱為費(fèi)米子，例如：電子、夸克。 光子的自旋數(shù)為1，所以光子需要旋轉(zhuǎn)360度才會(huì)和原來一樣，電子的自旋是1/2，所以電子需要旋轉(zhuǎn)2圈才會(huì)和原來一樣。 總結(jié)一下：粒子自旋就是粒子與生俱來的一種屬性，就像人生下來會(huì)吃飯一樣，粒子誕生時(shí)就擁有自旋，但由于宏觀世界找不到和粒子自旋類似的現(xiàn)象，所以我們很難通俗、形象的去理解自旋。 |
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