估计大部分人很少涉猎这个层面,在量子力学中,自旋是粒子所具有的内禀角动量引起的,虽然有时会与古典力学中的自转相类比,但实际上本质是迥异的。先了解下什么是角动量,角动量在物理学中是和物体到原点的位移和动量相关的物理量。它表征质点矢径扫过面积速度的大小,或刚体定轴转动的剧烈程度。在经典力学中可被定义为物体到原点的位移(矢径)和其动量的叉积:
自旋是微观粒子的一种性质。自旋为0的粒子从各个方向看都一样,就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度後看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度,自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。 自旋为1/2的粒子组成宇宙的一切,而自旋为0,1,2的粒子产生物质体之间的力。自旋为半整数的费米子都服从泡利不相容原理,而玻色子都不遵从泡利原理。
在量子力学中,任何体系的角动量都是量子化的,其取值只能为s×h/2π。
其中h/2π是约化普朗克常数,s称为自旋量子数,自旋量子数是整数或者半整数(0, 1/2, 1, 3/2, 2,……),自旋量子数可以取半整数的值,这是自旋量子数与轨道量子数的主要区别,后者的量子数取值只能为整数。自旋量子数的取值只依赖于粒子的种类,无法用现有的手段去改变其取值(不要与自旋的方向混淆,见下文)。
例如,所有电子具有s = 1/2,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,已经发现的希格斯玻色子在基本粒子中比较特殊,它的自旋为0。
自旋对人类做的贡献有:核磁共振谱、电子顺磁共振谱、质子密度的磁共振成像,以及巨磁电阻硬盘磁头。自旋可能的应用有自旋场效应晶体管等。以电子自旋为研究对象,发展创新磁性材料和器件的学科分支称为自旋电子学。
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