如何来理解量子的自旋现象(如何来理解量子的自旋过程)

导语：如何来理解量子的自旋

“自旋”从字面上理解，就是围绕着质心或穿过质心的轴的物质的自我旋转。比如像地球的自转一样。大多数人的理解，量子的自旋就是粒子围绕自身从不同方向作圆周运动，那事实真的是这样的吗？

地球的自转

1922年，汉堡大学的物理学家奥托·斯特恩（Otto .Stern）和沃尔特·盖拉赫(Walther.Gerlach)在法兰克福进行了一系列经典的在后来被称为斯特恩-盖拉赫实验的测量实验。他们使用银原子（Ag），他们让它通过非均匀的磁场，以观察它们的偏斜。

O.W实验

斯特恩和盖拉赫使一束加热的银原子通过非均匀的磁场，发现银原子分裂为上下两束。奇异的还在后面，斯特恩和盖拉赫继续实验，他们将经过第一次磁场的一束粒子档住，然后让另一束粒子通过相同的磁场，结果在接受屏上出现了一束粒子流的痕迹。

O.W实验

他们再设立一个磁场，不过这个磁场和以前的在水平位置转90度，让这一束相同粒子流再一次穿过，结果在接受屏上又分裂为水平两束。他们又重复了多次，还是得到了相同的结果。

O.W实验

在几年后，荷兰裔美国物理学家乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck）和萨穆埃尔·古德史密斯（Samuel Goudsmit）共同提出了电子自旋的假设，才解释了这个现象。实验中使用的是银原子（Ag），银原子的电子结构是：2, 8, 18, 18, 1（[Kr] 4d10 5s1）。最外层是5s1，即一个5s电子，除去最外层电子外，其他为满壳层。相比较于电子的磁矩，原子的磁矩可以忽略不计。 因此只需考虑电子运动导致的磁矩，而除最外层5s电子外，其他电子轨道角动量、自旋角动量恰好完全抵消。又s电子轨道角动量为零，因此银原子磁矩近似而言主要是由5s电子的自旋导致。

电子自旋假想图

现在我们知道电子是有角动量的，在通过非均匀的磁场后，实验证明电子的自旋在竖直和水平（X.Y）方向上具有不确定性。什么意思呢？就是电子的自旋可以同时向左或右自旋，就好像我们抛硬币，不是朝上就是朝下，而电子是两面同时出现，这在经典物理里是无法理解的。

O.W实验

因此仅能将自旋视为一种内禀性质，像电荷等一样，粒子的角动量与生俱来。其量值是量子化的，无法被改变（但自旋角动量的指向可以透过操作来改变）。通过研究，发现自旋角动量是系统的一个可观测量，它在空间中的三个分量和轨道角动量一样满足相同的对易关系。每个粒子都具有特有的自旋。粒子自旋角动量遵从角动量的普遍规律。

不同空间的粒子活动

具有自旋的粒子具有磁偶极矩，就如同经典电动力学中转动的带电物体。磁矩可以通过多种实验手段观察。每一种基本粒子的内禀磁矩的大小都是常数，可以用理论推导出来，得到的结果也已经通过做实验核对至高准确度。

费米-狄拉克统计

自旋为半奇数的粒子称为费米子，服从费米-狄拉克统计；自旋为0或整数的粒子称为玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。复合粒子的自旋是其内部各组成部分之间相对轨道角动量和各组成部分自旋的矢量和，即按量子力学中角动量相加法则求和。已发现的粒子中，自旋为整数的，最大自旋为4；自旋为半奇数的，最大自旋为3／2。

玻色-爱因斯坦统计

所有电子具有的1/2自旋，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，希格斯玻色子在基本粒子中比较特殊，它的自旋为0。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。

自旋为1/2也可以这样理解：一个粒子要转两圈才能恢复到原来的状态。反映到波函数上，粒子转一圈之后，波函数的相位会与原来的正好相反，只有转两圈波函数才能彻底恢复原状。

有一种关于自旋的说法是：设自旋为N，则粒子自转1/N周后与原来相同，理论预言希格斯玻色子自旋为零，实际意义还有待实验观察。

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