|
為了說明堿金屬原子能級的雙層結構，烏倫貝克與高德斯密特提出了一個想法，他們認為：電子有某種稱為自旋的轉動。由于電子有轉動，以電子的觀點看，原子實就會繞著電子轉動，使帶有磁矩的電子感受到一個磁場，從而給電子帶來附加的能量。 用 s 標記與這種轉動對應的量子數(shù)，則自旋角動量應該有2s+1個空間取向，不同的空間取向會獲得不同的附加能量。實驗觀測到能級是雙層的，因此自旋有兩個取向。于是，與電子自旋對應的量子數(shù)必定等于1/2。自旋角動量在空間中任意方向上的投影有兩個可能的取值： 電子自旋及其磁矩的存在，在史特恩—蓋拉赫實驗中得到了直接的證實。但是，原先的實驗用的是基態(tài)銀原子，軌道角動量有可能不等于0。因此，觀察到的磁矩就有可能來源于軌道運動。1927年，用基態(tài)氫原子重復了史特恩—蓋拉赫實驗。基態(tài)氫原子只有一個電子，軌道角動量為零。然而，實驗同樣觀測到原子束通過磁場后分裂成兩束的現(xiàn)象。實驗的結果表明，基態(tài)氫原子也有磁矩，它在磁場中有兩種可能的取向。有人提出，這個磁矩有可能是由原子核的運動引起的。但是，進一步的分析否定了這種猜測。由于核的質量是電子質量的兩千倍，這導致核磁矩比電子磁矩要小三個數(shù)量級，因此，觀測到的磁矩不可能來源于原子核。這意味著基態(tài)氫原子的磁矩只能來源于電子本身，電子磁矩在磁場中只有兩種可能的取向。這結果說明，電子的內部角動量所對應的量子數(shù)是1/2，這就從實驗上直接證實了電子自旋的假說。不過，烏倫貝克與高德斯密特關于電子自旋的假說明顯地帶有機械的性質，而且，要使自旋磁矩達到一個玻爾磁子，電子自轉時表面的速率將達到光速的10倍！這明顯違背了狹義相對論。由于電子自旋假說成功地說明了復雜原子的光譜結構，因此，盡管它帶有機械的性質，人們還是很快就接受了自旋這個概念。1927年，泡利引入了能夠描寫電子自旋性質的矩陣，把電子自旋的概念納入了量子力學的體系中。1928年，狄拉克把相對論的概念引入量子力學，建立了相對論量子力學。結果發(fā)現(xiàn)，滿足相對論性波動方程(狄拉克方程)的粒子必定具有1/2的自旋。由此看來，電子自旋本質上是一種相對論效應，是電子自身固有的特性。因此，通常將電子的自旋角動量以及相應的磁矩稱為內稟角動量和內稟磁矩。按照現(xiàn)代物理學的觀點，自旋和內稟磁矩是標志微觀粒子的重要物理量，是除了靜質量與電荷之外，微觀粒子的另一個自由度。
|
