“電子自旋”趣事（7）——自旋磁矩給物理學(xué)帶來(lái)的光明與黑暗

司今（[email protected])

線圈磁矩

磁矩,，本是經(jīng)典電磁學(xué)用于描述通電線圈在均勻外磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)能力大小的物理量，量子力學(xué)為了解釋施特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)也引入了磁矩概念,，并將這種概念分列為二種：1,、軌道磁矩，2,、自旋磁矩,。

電子軌道磁矩

量子力學(xué)軌道磁矩本質(zhì)是經(jīng)典電磁學(xué)中安培分子電流觀點(diǎn)的翻版，這種思路與圓圈導(dǎo)線通電會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的思想是一致的,。

原子核自旋磁矩

對(duì)于自旋磁矩如何產(chǎn)生的,？量子力學(xué)沒(méi)有過(guò)多的理論論述，只是強(qiáng)行規(guī)定為粒子自旋所固有的一種物理屬性,，它同粒子質(zhì)量,、電荷屬性一樣，是與生俱來(lái)的的,，即具有內(nèi)稟性,；并通過(guò)“量子力學(xué)法則”將它們分為0、1,、2,、1/2、2/3等多種自旋形態(tài),，這是量子力學(xué)理論中的一個(gè)硬傷,！

電子自旋磁矩

但不管怎么說(shuō)，自旋磁矩是一個(gè)被現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)存在的物理量,，它不僅成功地解釋了塞曼效應(yīng),、反常塞曼效應(yīng)及施特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題,，還像一個(gè)“物理小天使”，給量子力學(xué)后來(lái)的完善,、發(fā)展與應(yīng)用帶來(lái)了一片光明,！

軌道磁矩

后來(lái)的原子理論，超導(dǎo)理論,、核磁共振,、手機(jī)定位、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等無(wú)不展現(xiàn)出自旋磁矩的風(fēng)采,，方興未艾的自旋電子學(xué),、納米材料學(xué)等正將自旋磁矩的威力引向更光明的未來(lái)！

自旋磁粒子與核磁共振

可以這么說(shuō),，粒子自旋磁矩的發(fā)現(xiàn)與證實(shí),，不僅是一場(chǎng)微觀物理學(xué)革命，也是物理學(xué)發(fā)展史中的一個(gè)偉大發(fā)現(xiàn),，它的發(fā)現(xiàn)同牛頓質(zhì)量引力,、庫(kù)倫電、磁荷引力一樣偉大,，但因磁與電有說(shuō)不清道不明的糾葛,，故這種發(fā)現(xiàn)科學(xué)價(jià)值被世人低估了。

氫原子核自旋磁矩

其實(shí),，自旋磁矩發(fā)現(xiàn)的意義是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)萬(wàn)有引力,、庫(kù)倫定理的，因?yàn)樗鼜谋举|(zhì)上揭示了場(chǎng)的起源與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,，同時(shí)也將星空與微觀世界更緊密地結(jié)合到了一起,，量子力學(xué)的一些法則在星空中也可以使用，因?yàn)樾行桥c粒子都有自旋磁矩性,，它比以前的二種力學(xué)理論對(duì)宏觀與微觀的真實(shí)性描述會(huì)更準(zhǔn)確些,！

地球自旋磁矩

不過(guò)，我們?cè)谙硎茏孕啪亟o現(xiàn)代物理學(xué)帶來(lái)光明與溫暖的同時(shí),，也應(yīng)看到現(xiàn)代物理學(xué)家們的努力與失敗,，歡心與沮喪，特別是對(duì)自旋磁矩產(chǎn)生原因的詮解上至今沒(méi)有一個(gè)滿意答案,；從物理理論的繼承性方面來(lái)說(shuō),，自旋磁矩確實(shí)給目前的物理學(xué)帶來(lái)了黑暗,！

電子自旋磁矩

為什么這么說(shuō),？下面我們以電子自旋磁矩為例來(lái)說(shuō)明目前物理學(xué)所面臨的窘境：

1、如果說(shuō)電子是一個(gè)有空間大小的粒子,，依據(jù)磁矩同安培分子電流觀點(diǎn)相一致的原理,，則電子內(nèi)部就應(yīng)該有比電子更小的帶電粒子組成,，它們?cè)陔娮芋w空間內(nèi)繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)才會(huì)產(chǎn)生電子自旋磁矩，但目前物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子有內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的跡象,，而且現(xiàn)代物理學(xué)也沒(méi)有能夠真正測(cè)量到電子半徑到底有多大,？據(jù)李政道教授的實(shí)驗(yàn)估算，電子半徑應(yīng)在10^-22m以下,，甚至他還傾向認(rèn)為電子是一個(gè)點(diǎn)粒子（沒(méi)有空間大小的粒子點(diǎn)）,。

安培分子電流理論

2、如果我們將電子看作是一個(gè)點(diǎn)粒子,，依據(jù)安培分子電流觀點(diǎn)定義出來(lái)的磁矩就沒(méi)有辦法描述自旋磁矩產(chǎn)生的物理機(jī)制問(wèn)題,。

粒子的自旋磁矩到底是該描述成點(diǎn)自旋還是體自旋？這不僅引發(fā)了一場(chǎng)物理學(xué)革命,，同時(shí)也會(huì)引發(fā)一場(chǎng)數(shù)學(xué)革命,，李群代數(shù)的出現(xiàn)正是這個(gè)結(jié)果，但物理學(xué)方面到現(xiàn)在還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破,！

飛向量子力學(xué)的小天使

面對(duì)電子自旋磁矩給目前物理學(xué)帶來(lái)的難題與尷尬,，我們不得不承認(rèn)，自旋磁矩是一個(gè)“雙面天使”,，它給微觀物理學(xué)帶來(lái)光明的同時(shí),，也帶來(lái)了烏云！

黑暗也是下一個(gè)黎明到來(lái)的前哨,，對(duì)自旋磁矩起源問(wèn)題,，我們是不是可以換個(gè)角度去作嘗試思考：

黎明曙光

1、可能電子半徑極小,，只是目前我們現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)條件測(cè)不出來(lái)罷了,，宇宙中有比電子更小的帶電粒子存在——這是一種比較“得人心”的解釋，但由此也給物理學(xué)曾經(jīng)否定的以太論點(diǎn)燃了希望之火,。

2,、既然安培分子電流觀點(diǎn)對(duì)描述電子自旋磁矩?zé)o效，那么會(huì)不會(huì)還存在另一種自旋生磁規(guī)律沒(méi)有被我們發(fā)現(xiàn)呢,？

以上思考到底哪一種方向?qū)⑹强尚械?？我們拭目以待吧?/p>

剛體旋轉(zhuǎn)

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【附錄】：自旋磁矩

自旋磁矩，是指材料內(nèi)部電子的循軌運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)都可以看作是一個(gè)閉合的環(huán)形電流,，因而必然產(chǎn)生磁矩,，電子自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩稱為自旋磁矩。 [1]

材料中的自旋粒子

自旋是基本粒子或原子核的固有角動(dòng)量,，它與軌道角動(dòng)量不同,，即使粒子處于靜止時(shí)也存在。任何粒子的自旋在空間中的方向也不是任意的,，它在空間一個(gè)確定方向(如磁場(chǎng)方向)上的投影,，必須是h/2π(h為普朗克常數(shù))的整數(shù)或半整數(shù)倍,。

水和空氣在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于地磁場(chǎng)的同極磁化作用,，分子的自旋磁矩不能夠沖破首尾相連的分子鏈,。穩(wěn)定狀態(tài)或直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一旦破壞，分子鏈?zhǔn)幦粺o(wú)存,。

概念介紹

水和空氣在穩(wěn)定狀態(tài)下,，由于地磁場(chǎng)的同極磁化作用，分子的自旋磁矩不能夠沖破首尾相連的分子鏈,。穩(wěn)定狀態(tài)或直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一旦破壞,，分子鏈?zhǔn)幦粺o(wú)存。

根據(jù)能量守恒與物質(zhì)不滅原則,，旋風(fēng)和臺(tái)風(fēng)并不是無(wú)緣無(wú)故的正常維持,，它即有內(nèi)因又有外因，內(nèi)因是斥磁性物質(zhì)分子內(nèi)部電子軌跡不閉合,，近似的電流環(huán)每旋轉(zhuǎn)一周,，電流環(huán)近似平面與地磁場(chǎng)方向垂直一次，切割一次地磁場(chǎng)磁力線,，產(chǎn)生分子的自旋磁矩,，這即是分子的自旋電動(dòng)勢(shì)。外因是有初始旋轉(zhuǎn)速度和初始能量,，依靠分子的自旋電動(dòng)勢(shì),，切割磁力線，消耗磁場(chǎng)物質(zhì)產(chǎn)生能量并輸出能量,，維持臺(tái)風(fēng)或旋風(fēng)的正常旋轉(zhuǎn),。

龍卷風(fēng)

實(shí)際上，斥磁性物質(zhì)就如同一臺(tái)上滿發(fā)條的擺鐘,，要想使其走動(dòng),，只需輕輕一推，擺鐘即可正常走動(dòng),，越擺越大,，直到幅度最大為止。有學(xué)者認(rèn)為人造臺(tái)風(fēng)只需將旋轉(zhuǎn)風(fēng)的風(fēng)力加強(qiáng)到十級(jí)或略高,，即可自動(dòng)加強(qiáng)到最大風(fēng)力,，形成臺(tái)風(fēng)。 [2]

磁矩

磁矩是描述載流線圈或微觀粒子磁性的物理量,。平面載流線圈的磁矩定義為m=iSn式中i電流強(qiáng)度,；S為線圈面積；n為與電流方向成右手螺旋關(guān)系的單位矢量,。在均勻外磁場(chǎng)中,，平面載流線圈所受合力為零而所受力矩不為零，該力矩使線圈的磁矩m轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)B的方向,；在均勻徑向分布外磁場(chǎng)中,，平面載流線圈受力矩偏轉(zhuǎn)。許多電機(jī)和電學(xué)儀表的工作原理即基于此,。

軌道磁矩

定義

在原子中,，電子因繞原子核運(yùn)動(dòng)而具有軌道磁矩；電子因自旋具有自旋磁矩,；原子核,、質(zhì)子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩,。這些對(duì)研究原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu),，磁場(chǎng)中的塞曼效應(yīng)以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。

分子的磁矩就是電子軌道磁矩以及電子和核的自旋磁矩構(gòu)成的(μ=μs+μl=gsps+glpl),，磁介質(zhì)的磁化就是外磁場(chǎng)對(duì)分子磁矩作用的結(jié)果。

古地球磁矩的變化

粒子的內(nèi)稟屬性,。每種粒子都有確定的內(nèi)稟磁矩,。自旋為s的點(diǎn)粒子的磁矩μ由μ=g(e/2m)p給出，式中e和m分別是該粒子的電荷和質(zhì)量,，g是一個(gè)數(shù)值因子,，p為自旋角動(dòng)量。自旋為零的粒子磁矩為零,。自旋為1/2的粒子,，g=2；自旋為1的粒子,，g=1,；自旋為3/2的粒子，g=2/3,。理論上普遍給出g=1/s,。

1/2自旋粒子

粒子磁矩可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。但實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果并不與此相符,，其間差別稱為反常磁矩,。對(duì)于自旋均為1/2的電子、μ子,、質(zhì)子和中子,，精確測(cè)定其g因子分別為

電子 gl2=1.001159652193（10）

μ子 gl2=1.001165923（8）

質(zhì)子 gl2=2.792847386（63）

中子 gl2=－1.91304275（45）

粒子反常磁矩的來(lái)源有二：一是量子電動(dòng)力學(xué)的輻射修正，電子,、μ子屬于這種情形,，即使是點(diǎn)粒子,，粒子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)其自身的作用導(dǎo)致自旋磁矩的微小變化，這一改變可以嚴(yán)格地用量子電動(dòng)力學(xué)精確計(jì)算,，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定符合得很好,；另一是由于粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用的影響，質(zhì)子和中子屬于這種情形,，質(zhì)子和中子的反常磁矩用于分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu),。 [3]

各類磁矩

載流回路磁矩

在一個(gè)載流回路中，磁矩大小是電流乘以回路面積：u=I*S,；其中,，u為磁矩，I 為電流,，S 為面積,。

磁矩方向則為電流繞行方向右手定則所決定的方向。

載流回路在磁場(chǎng)中所受力矩M與磁矩的關(guān)系為：M=u×B 其中,，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度,。

基本粒子磁矩

許多基本粒子(例如電子)都有內(nèi)稟磁矩，這種磁矩和經(jīng)典物理的磁矩不同,，必須使用量子力學(xué)來(lái)解釋它,，

核自旋與核磁矩

核自旋與核磁矩和粒子的自旋有關(guān)。而這種內(nèi)稟磁矩即是許多在宏觀之下磁力的來(lái)源,，許多的物理現(xiàn)象也和此有關(guān),。這些內(nèi)稟磁矩是量子化的，也就是它有最小的基本單位,，常常稱為“磁子”(magneton)或磁元,，例如電子自旋磁矩的矢量絕對(duì)值即和玻爾磁子成比例關(guān)系：μs=-gs.μB.s/h＇.

其中μs為電子自旋磁矩，電子自旋g因子gs是一項(xiàng)比例常數(shù),，μB為玻爾磁子,，s為電子的自旋角動(dòng)量。 [4]

電子繞原子核運(yùn)動(dòng)

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注：自旋磁矩_百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E8%87%AA%E6%97%8B%E7%A3%81%E7%9F%A9/960138?fr=aladdin