[科普中國]-自旋角動量量子數(shù)

電子不是點電荷，它除了軌道角動量外，還有自旋運動，它具有固定的自旋角動量s：

任何電子都有相同的自旋角動量。1

自旋量動量量子數(shù)自旋動量量子數(shù)是描述電子自旋運動的量子數(shù)。自旋磁量子數(shù)用ms表示。除了量子力學直接給出的描寫原子軌道特征的三個量子數(shù)n、l和m之外，還有一個描述軌道電子特征的量子數(shù)，叫做電子的自旋磁量子數(shù)ms。原子中電子除了以極高速度在核外空間運動之外，也還有自旋運動。電子有兩種不同方向的自旋，即順時針方向和逆時針方向的自旋。 它決定了電子自旋角動量在外磁場方向上的分量。通常用向上和向下的箭頭來代表，即↑代表正方向自旋電子，↓代表逆方向自旋電子。

定義及發(fā)展編輯

自旋動量量子數(shù)是描述電子自旋運動的量子數(shù)。是電子運動狀態(tài)的第四個量子數(shù)。1921年，德國施特恩（Otto Stern，1888—1969）和格拉赫（Walter Gerlach，1889—1979）在實驗中將堿金屬原子束經(jīng)過一不均勻磁場射到屏幕上時，發(fā)現(xiàn)射線束分裂成兩束，并向不同方向偏轉(zhuǎn)。這暗示人們，電子除了有軌道運動外，還有自旋運動，是自旋磁矩順著或逆著磁場方向取向的結(jié)果。于是1925年荷蘭物理學家烏侖貝克（George Uhlenbeck，1900—1988）和哥希密特（Goudsmit，1902—1978）提出電子有不依賴于軌道運動的、固有磁矩（即自旋磁矩）的假設(shè)。自旋量子數(shù)s≡1/2，它是表征自旋角動量的量子數(shù)，相應(yīng)于軌道角動量量子數(shù)。自旋磁量子數(shù)ms才是描述自旋方向的量子數(shù)。ms= 1/2，表示電子順著磁場方向取向，用↑表示，說成逆時針自旋；ms=-1/2表示逆著磁場方向取向，用↓表示，說成順時針自旋。當兩個電子處于相同自旋狀態(tài)時叫做自旋平行，用符號↑↑或↓↓表示。當兩個電子處于不同自旋狀態(tài)時，叫做自旋反平行，用符號↑↓或↓↑表示。

直接從薛定諤方程得不到第四個量子數(shù)——自旋量子數(shù)ms，它是根據(jù)后來的理論和實驗要求引入的。精密觀察強磁場存在下的原子光譜，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)譜線其實由靠得很近的兩條譜線組成。這是因為電子在核外運動，還可以取數(shù)值相同，方向相反的兩種運動狀態(tài)，通常用↑和↓表示。

自旋的分類編輯

基本粒子的自旋對于像光子、電子、各種夸克這樣的基本粒子，理論和實驗研究都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們所具有的自旋無法解釋為它們所包含的更小單元圍繞質(zhì)心的自轉(zhuǎn)（參見經(jīng)典電子半徑）。由于這些不可再分的基本粒子可以認為是真正的點粒子，因此自旋與質(zhì)量、電量一樣，是基本粒子的內(nèi)稟性質(zhì)。

在量子力學中，任何體系的角動量都是量子化的，其取值只能為：

S

其中 h 是約化普朗克常數(shù)，而自旋量子數(shù)是整數(shù)或者半整數(shù)(0, 1/2, 1, 3/2, 2,……)，自旋量子數(shù)可以取半整數(shù)的值，這是自旋量子數(shù)與軌道量子數(shù)的主要區(qū)別，后者的量子數(shù)取值只能為整數(shù)。自旋量子數(shù)的取值只依賴于粒子的種類，無法用現(xiàn)有的手段去改變其取值（不要與自旋的方向混淆，見下文）。

例如，所有電子具有s = 1/2，自旋為1/2的基本粒子還包括正電子、中微子和夸克，光子是自旋為1的粒子，理論假設(shè)的引力子是自旋為2的粒子，理論假設(shè)的希格斯玻色子在基本粒子中比較特殊，它的自旋為0。

亞原子粒子的自旋對于像質(zhì)子、中子及原子核這樣的亞原子粒子，自旋通常是指總的角動量，即亞原子粒子的自旋角動量和軌道角動量的總和。亞原子粒子的自旋與其它角動量都遵循同樣的量子化條件。

通常認為亞原子粒子與基本粒子一樣具有確定的自旋，例如，質(zhì)子是自旋為1/2的粒子，可以理解為這是該亞原子粒子能量低的自旋態(tài)，該自旋態(tài)由亞原子粒子內(nèi)部自旋角動量和軌道角動量的結(jié)構(gòu)決定。

利用第一性原理推導出亞原子粒子的自旋是比較困難的，例如，盡管我們知道質(zhì)子是自旋為1/2的粒子，但是原子核自旋結(jié)構(gòu)的問題仍然是一個活躍的研究領(lǐng)域。

原子和分子的自旋原子和分子的自旋是原子或分子中未成對電子自旋之和，未成對電子的自旋導致原子和分子具有順磁性。[1]

自旋與統(tǒng)計編輯

粒子的自旋對于其在統(tǒng)計力學中的性質(zhì)具有深刻的影響，具有半整數(shù)自旋的粒子遵循費米-狄拉克統(tǒng)計，稱為費米子，它們必須占據(jù)反對稱的量子態(tài)（參閱可區(qū)分粒子），這種性質(zhì)要求費米子不能占據(jù)相同的量子態(tài)，這被稱為泡利不相容原理。另一方面，具有整數(shù)自旋的粒子遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，稱為玻色子，這些粒子可以占據(jù)對稱的量子態(tài)，因此可以占據(jù)相同的量子態(tài)。對此的證明稱為自旋統(tǒng)計理論，依據(jù)的是量子力學以及狹義相對論。事實上，自旋與統(tǒng)計的聯(lián)系是狹義相對論的一個重要結(jié)論。[2]

主要應(yīng)用編輯

自旋的直接的應(yīng)用包括：核磁共振譜、電子順磁共振譜、質(zhì)子密度的磁共振成像，以及巨磁電阻硬盤磁頭。自旋可能的應(yīng)用有自旋場效應(yīng)晶體管等。以電子自旋為研究對象，發(fā)展創(chuàng)新磁性材料和器件的學科分支稱為自旋電子學。

研究進展編輯

2010年4月，美國俄亥俄大學和德國漢堡大學的科學家們展示了他們首次獲得的，電子不同自旋狀態(tài)下的單個鈷原子圖像。為獲得這個圖像，研究人員使用一臺在其探針的尖端涂覆有金屬鐵的特制隧道掃描顯微鏡，對一個金屬錳盤上的鈷原子進行了操縱。借助這個特制探針，通過改變單個鈷原子在錳板表面的位置，使鈷原子中電子自旋的方向產(chǎn)生了變化。捕捉到的圖像顯示，當原子中的電子自旋方向向上時，整個原子的形狀呈單突狀；若自旋方向向下，則整個原子形狀呈雙突狀，且兩者等高2。

這項研究表明，通過對單個金屬原子的操控，科學家具有了探測和操縱單原子中電子自旋方向的能力，這將極大地影響納米級磁存儲器、量子計算機和自旋電子器件的未來發(fā)展。研究小組主要成員之一、俄亥俄大學納米和量子研究所的物理和天文學副教授薩瓦 拉表示，電子的不同自旋方向可代表數(shù)據(jù)存儲的不同狀態(tài)，目前計算機存儲器單元需要的原子數(shù)量成千上萬，未來也許用單個原子就能滿足需求，同時將計算機的能力提高數(shù)千倍。而且，與電子器件不同的是，基于電子自旋的器件不會產(chǎn)生熱量，從而達到更少的功率損耗。

此次實驗是在10開爾文低溫的超真空環(huán)境中完成的?？茖W家表示，要想將電子自旋應(yīng)用于計算機存儲器中，必須能在室溫下探測到自旋現(xiàn)象。不過，文章的主要作者、漢堡大學的安德烈 庫柏茲卡認為，這項新完成的研究為未來的應(yīng)用提供了途徑。在研究中，研究人員不僅使用了新技術(shù)，還使用了一個帶有自旋的金屬錳板，這使得他們可對鈷原子的電子自旋進行操縱。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學院工程熱物理研究所