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科学探索

电子自旋的首次发现

科学探索万象经验2023-05-08

有一个经典的角动量守恒示范:教授坐在转椅上拿着一个旋转的自行车轮子,当他把车轮翻转过来的时候,椅子突然开始旋转起来。车轮的角动量在一个方向上发生变化,因此教授的角动量必须在另一个方向上增加,以使总角动量保持不变。

将一个铁圆柱悬挂在一根线上,然后打开一个垂直向上的磁场,铁圆柱开始以恒定角速度旋转。乍一看,这似乎违反了角动量守恒,因为一开始没有任何东西在旋转。但实际上,外部磁场使铁磁化,导致铁原子外壳中的电子对齐它们的自旋。这些电子就像微小的自行车轮子一样,它们移动的角动量被圆柱体的旋转所补偿。

如果我们把电子想象成旋转的自行车车轮或任何旋转的东西,这种解释是有道理的,因为电子确实具有我们称之为自旋的特性。但是有一个大问题:电子绝对不会像车轮一样旋转,它们确实拥有一种非常奇特的角动量,这种角动量在没有经典旋转的情况下以某种方式存在。事实上,电子的自旋远比简单的旋转更为基本,它是粒子的量子特性。事实证明,量子自旋是粒子更深层次特性的表现,它是一种负责所有物质结构的特性。