电子有一种内禀的角动量，称为自旋角动量 , 非定域域的性质，一种量级为相对论性的效应

第七章  电子自旋角动量

实验发现，电子有一种内禀的角动量，称为自旋角动量，它源于电子的内禀性质,一种非定域的性质，一种量级为相对论性的效应。  

本来，在Dirac相对论性电子方程中，这个角动量很自然地以内禀方式蕴含在该方程的旋量结构中。在对相对论性电子方程作最低阶非相对论近似，以便导出方程的时候，人为丢弃了这种原本属于相对论性的自旋效应。换句话说，现在从方程出发研究电子非相对论性运动时，自旋作用就表现出是一种与电子位形空间运动没有直接关系的、外加的自由度，添加在方程上。到目前为止，非相对论量子力学所拟定的关于它的一套计算方法，使人们能够毫无困难地从理论上预测实验测量结果并计算它在各种实验场合下运动和变化。但是，整个量子理论对这个内禀角动量（以及与之伴随的内禀磁矩）的物理内禀性质依然并不十分了解[1]。

§7.1  电子自旋角动量

 

 

 

1922年Stern—Gerlach实验，实验中使用的是顺磁性的中性银原子束，通过一个十分不均匀的磁场，按经典理论，原子束不带电，不受Lorentz力作用。由于银原子具有一个永久磁矩，并且从高温下蒸发飞出成束时其磁矩方向必定随机指向、各向同性的。于是在穿过非均匀磁场时，磁矩和磁场方向夹角也是随机的。从而银原子束在通过磁场并接受非均匀磁场力的作用之后，应当在接受屏上相对于平衡位置散开成一个宽峰，但实验却给出彼此明显对称分开的两个峰，根据分裂情况的实测结果为，数值为Bohr磁子。

 

 

 

针对以上难以解释的实验现象，1925年Uhlenbeck和Goudsmit提出假设：电子在旋转着，因而表现出称之为自旋的内禀角动量它在任意方向的取值只能有两个数值。为使这个假设与实验一致，假定电子存在一个内禀磁矩并且和自旋角动量之间的关系为（电子电荷为）

                                             （7.1）

这表明，电子自旋的廻磁比是轨道廻磁比的两倍。于是，电子便具有了共四个内禀的物理量。根据实验事实用外加的方式引入电子自旋这一内禀自由度之后，不仅原子的磁性性质，而且原子光谱本身的一些精细结构，以及在外场下的多重分裂现象，也都得到了很好的解释

 

 

 

自旋—轨道耦合作用与碱金属原子光谱的双线结构

原子中的电子绕原子核运动时将产生磁场，这个磁场必定与电子本身磁矩发生作用，使原有能级劈裂并产生附加能移。这就是自旋—轨道耦合作用。Hamilton量中考虑这种作用的项通常称为旋—轨耦合项，又称为Thomas项。

 

 

 

1, 电子自旋的实验基础和其特点

早期发现的与电子自旋有关的实验有：原子光谱的精细结构（比如，对应于氢原子的跃迁存在两条彼此很靠近的两条谱线，碱金属原子光谱也存在双线结构等）；1912年反常Zeeman效应，特别是氢原子的偶数重磁场谱线分裂

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[1] 杨振宁讲演集，南开大学出版社，1989年