世界又一难题:令人疑惑的电子自旋是怎么回事?看完瞬间顿悟

前沿科学吖 2024-03-18 16:05:03

在量子力学的框架,我们耳熟能详的有测不准原理、量子纠缠、波函数、量子隧穿、波粒二象性、物质波等等名词,但其中有一个名词叫电子自旋想必很多人都知道,很多人都会把自旋和自转联系起来,这自旋不就是自转吗?那么理解这个电子自旋没什么难度,但事实果真如此?

图1

量子力学的建立开始是普朗克多黑体辐射的研究,成果总结在爱因斯坦的光量子假说,于是开始讨论物质是粒子性还是波动性,在20世纪的论战空前激烈,前前后后经过很多科学家的努力,确定物质既是粒子也是波,研究到这里,就解释了测不准原理,接着就推导出量子纠缠,物质波、量子遂穿成果接踵而至,哥本哈根学派给出了关于波粒二象性的数学解释,那么后来在研究量子领域的时候,波粒是前提,测不准是原则,所以关于要将的电子自旋,要想理解电子自旋,波粒和测不准是基础。

谈到电子自旋大多数人脑子里肯定都有一个球体在转动,我想提示一下,自旋不等于自转,想象一下,量子是一份一份的,就像在水里的波纹一样,那么微观的电子它既具有波动性又具有粒子性,电子的运动也是有的时候是波有的时候是粒子,运动的时候有的时候也是一份一份的,那么我们可以想象一个电子运动时,会像水的波纹一样,呈现粒子一份份的向前运动,它在运动时还是滚着向前运动的,这里滚着向前就很接近自旋的概念。

图2

现在用一个简化例子来加强理解,如下图3:这是一个礼品盒,我们眼睛看到的这个面正对着我们,那么如果把礼品盒沿着L线指的向左转90度,那么我们看到的礼品盒和开始的时候就不一样,在转180度,也不是我们看到的样子,再转270度,还不是我们看到的样子,最后转360度,这时候我们看到就和原来一样了,这个时候,我们就把转360度看到原来的样子记录下来,定自旋为1,那么如果我们从A/B/C/D各方看到的这个礼品都是一样的时候,就定自旋为0,如果转180度的样子和原来一样,定自旋为2,转90度和原来一样,定自旋为3,最大的自旋数是4。

图3

所以从经典物理的层面去理解,自旋就是自转,我们带着波粒和测不准的思维去理解,自旋就是物质一种内在固有性质,不因为外部因素而发生改变,也就是物质本身就具有自旋的特点。那么回过头来,当我们去理解电子自旋时,不再去想象成电子的自转,而是想象成电子本身转半圈是不是它原来的样子,转一圈是不是它原来的样子,因为电子的转动是量子效应的,我们无法去确定它表面的转速和样子,因此只能取自旋来研究它的特点。

通过上面对电子自旋的描述和简化的例子,那么我相信很多人对自旋和自转就有了明确的界定,也对电子自旋有了更深入的理解,对理解量子纠缠、量子遂穿等概念就更容易了!

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