電子自旋是一個(gè)重要的物理概念，它是量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。那么，電子自旋是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？它又有什么意義和影響？它還有什么未知的秘密和未來(lái)的可能呢？全文共4100字，請(qǐng)您慢慢閱讀。

電子自旋的發(fā)現(xiàn)

在上個(gè)世紀(jì)二十年代初期，物理學(xué)家們已經(jīng)知道了原子由正負(fù)電荷組成，而且正負(fù)電荷都有一定的量子化單位：質(zhì)子和電子。他們也知道了原子中有一個(gè)小小的核心，叫做原子核，由質(zhì)子和中子組成，而電子則圍繞著核心運(yùn)動(dòng)。他們還知道了電子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律遵循著波粒二象性，即電子既可以表現(xiàn)為粒子，也可以表現(xiàn)為波。

但是，在這個(gè)看似完美的理論中，還有一些問題沒有解決。比如說(shuō)，氫原子光譜中的一些細(xì)微差別。氫原子只有一個(gè)電子，所以它的光譜應(yīng)該很簡(jiǎn)單。但實(shí)際上，在氫原子光譜中，有一些線是由兩條非常接近的線組成的，這就是所謂的精細(xì)結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家們?cè)噲D用相對(duì)論效應(yīng)來(lái)解釋精細(xì)結(jié)構(gòu)，但是還是不能完全符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1921年，康普頓提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：也許電子不僅有軌道角動(dòng)量，還有自身角動(dòng)量，或者叫做自旋。他認(rèn)為電子可以看作是一個(gè)帶電荷的小球，在自己周圍旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這樣一來(lái)，電子就有兩種可能的自旋狀態(tài)：順時(shí)針或逆時(shí)針。康普頓還推測(cè)，如果把一個(gè)帶有自旋的帶電粒子放在一個(gè)外部磁場(chǎng)中，它的能量會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)樗拇啪貢?huì)和外部磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，這就是所謂的塞曼效應(yīng)。康普頓用這個(gè)假設(shè)來(lái)解釋了一些鐵磁物質(zhì)的性質(zhì)，但是他沒有給出電子自旋的具體數(shù)值，也沒有提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

1922年，斯特恩和格拉赫設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)康普頓的假設(shè)。他們把一束銀原子蒸汽通過一個(gè)非均勻的磁場(chǎng)，然后觀察銀原子在屏幕上的分布。如果沒有自旋，那么它們應(yīng)該在屏幕上形成一個(gè)連續(xù)的條紋。如果有自旋，并且自旋可以取任意值，那么它們應(yīng)該在屏幕上形成一個(gè)模糊的斑點(diǎn)。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻出乎意料：銀原子在屏幕上形成了兩個(gè)清晰的點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于兩種不同的自旋方向。這就證明了電子自旋的存在，而且電子自旋是量子化的，只能取兩個(gè)離散的值： 1/2或-1/2。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)，是量子力學(xué)史上的一個(gè)里程碑。

1925年，古德斯密特和烏倫貝克在知道了斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，提出了一個(gè)更完善的電子自旋理論。他們認(rèn)為電子自旋不是由電子真正的空間旋轉(zhuǎn)造成的，而是一種內(nèi)稟的量子屬性。他們還引入了第四個(gè)量子數(shù)：自旋量子數(shù)ms，來(lái)描述電子自旋的狀態(tài)。ms只能取 1/2或-1/2兩個(gè)值，分別對(duì)應(yīng)于向上或向下的自旋方向。他們用這個(gè)理論來(lái)解釋了氫原子光譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且得到了很好的符合。

量子電動(dòng)力學(xué)的誕生

電子自旋理論雖然成功地解釋了一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但是也帶來(lái)了一些新的問題。比如說(shuō)，如果把電子看作是一個(gè)帶電荷的點(diǎn)粒子，并且有一個(gè)固定的磁矩，那么它就會(huì)和自己產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用。這樣一來(lái)，電子就會(huì)受到一個(gè)無(wú)窮大的力，并且會(huì)發(fā)射出無(wú)窮多的能量。這顯然是不合理的。另外，如果把電子看作是一個(gè)有限大小的球體，并且有一個(gè)固定的角速度，那么它就會(huì)有一個(gè)很大的表面速度，并且會(huì)違反相對(duì)論。這也是不可接受的。

為了解決這些問題，物理學(xué)家們開始發(fā)展一種新的理論：量子電動(dòng)力學(xué)，簡(jiǎn)稱為QED。QED是一種把量子力學(xué)和相對(duì)論結(jié)合起來(lái)的理論，它可以描述光和物質(zhì)之間的相互作用。QED認(rèn)為光是由一種叫做光子的粒子組成的，而物質(zhì)是由一種叫做費(fèi)米子的粒子組成的。電子就是一種費(fèi)米子，而光子就是一種無(wú)質(zhì)量、無(wú)電荷、自旋為1的玻色子。

QED不僅可以解釋已知的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比如康普頓散射、光電效應(yīng)、拉曼散射等，還可以預(yù)測(cè)一些新的效應(yīng)，比如真空閃爍、蘭姆位移。QED被認(rèn)為是物理學(xué)中最成功和最精確的理論之一，它可以給出很多物理量的高階修正，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

重整化的發(fā)明

我們已經(jīng)說(shuō)過，QED是一種描述光和物質(zhì)之間相互作用的理論。但是，QED并不是一種完美的理論。它有一個(gè)很大的問題：無(wú)窮大。在QED中，有一些物理量會(huì)出現(xiàn)無(wú)窮大的結(jié)果。這些無(wú)窮大是由于我們把電子和光子看作是沒有大小和結(jié)構(gòu)的點(diǎn)粒子造成的。當(dāng)我們計(jì)算它們之間相互作用時(shí)，就會(huì)遇到一些無(wú)法避免的奇點(diǎn)。這些奇點(diǎn)使得QED失去了預(yù)測(cè)力和一致性。

為了解決這個(gè)問題，物理學(xué)家們提出了一個(gè)非常巧妙的方法：重整化。重整化的思想是這樣的：我們不再把電子和光子看作是點(diǎn)粒子，而是把它們看作是有一定大小和結(jié)構(gòu)的粒子。這樣一來(lái)，我們就可以忽略它們內(nèi)部的細(xì)節(jié)，而只關(guān)注它們外部的行為。我們可以用一些可觀測(cè)的物理量，比如電子質(zhì)量，電子電荷，光子自能等，來(lái)定義它們的大小和結(jié)構(gòu)。這些可觀測(cè)的物理量就是所謂的重整化常數(shù)。我們可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量這些重整化常數(shù)，并且用它們來(lái)替換原來(lái)的無(wú)窮大的結(jié)果。這樣一來(lái)，我們就可以得到有限的、有意義的、符合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。這就是重整化的過程。

重整化的發(fā)明要?dú)w功于幾位物理學(xué)家：朝永振一郎，施溫格、費(fèi)曼。他們?cè)?947年到1949年之間獨(dú)立地發(fā)展了QED的重整化理論，并且用圖形化的方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。他們用重整化理論成功地解釋了電子異常磁矩，即電子磁矩和自旋之間的比例系數(shù)與樸素預(yù)期不符的現(xiàn)象。他們?yōu)镼ED的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，并且獲得了1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

電子異常磁矩的實(shí)驗(yàn)和理論

電子異常磁矩是一個(gè)非常有趣的物理現(xiàn)象，它反映了QED的精確性和有效性。我們已經(jīng)說(shuō)過，電子自旋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁矩，即一個(gè)微小的磁偶極矩。如果我們把電子看作是一個(gè)經(jīng)典的帶電荷的旋轉(zhuǎn)球體，那么它的磁矩和自旋之間應(yīng)該有一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系：

其中μ是電子磁矩，g是一個(gè)比例系數(shù)，e是電子電荷，m是電子質(zhì)量，S是電子自旋。如果我們用相對(duì)論修正這個(gè)關(guān)系，那么我們會(huì)得到g=2。這就是所謂的朗德因子。但是，在QED中，由于電子會(huì)和自己產(chǎn)生的虛光子相互作用，并且受到真空極化等效應(yīng)的影響，它的磁矩會(huì)有一個(gè)微小的偏離。這個(gè)偏離就是所謂的異常磁矩，或者叫做反常朗德因子.

如何測(cè)量電子異常磁矩呢？一種方法是利用一個(gè)裝置，叫做帕恩-埃德華茲-羅姆尼克環(huán)。這個(gè)裝置可以把一些高速運(yùn)動(dòng)的電子束束縛在一個(gè)真空中的圓環(huán)里，并且施加一個(gè)恒定的垂直磁場(chǎng)和一個(gè)交變的水平磁場(chǎng)。這樣一來(lái)，電子就會(huì)在圓環(huán)里做兩種運(yùn)動(dòng)：一種是沿著圓環(huán)方向的回旋運(yùn)動(dòng)，另一種是沿著垂直方向的自旋進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如果我們調(diào)節(jié)交變水平磁場(chǎng)的頻率，使得它等于兩種運(yùn)動(dòng)之間的頻率差，那么就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。這時(shí)候，我們可以通過測(cè)量電子束發(fā)射出來(lái)的同步輻射來(lái)得到電子異常磁矩的值。

使用這種方法，物理學(xué)家們?cè)谶^去幾十年里不斷地提高了對(duì)電子異常磁矩的測(cè)量精度，并且和QED理論給出的結(jié)果進(jìn)行了比較。目前最精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是(1159652180.73±0.28)×10^?12，而目前最精確的理論結(jié)果是(1159652180.22±0.29)×10^?12。可以看到，兩者之間的一致性非常高，這是物理學(xué)史上最精確的實(shí)驗(yàn)和理論的對(duì)比之一，也是QED理論的一個(gè)重要的檢驗(yàn)。

電子電偶極矩的尋找

電子自旋不僅會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁矩，還可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電矩，即一個(gè)微小的電偶極矩。如果電子有一個(gè)電偶極矩，那么它就相當(dāng)于一個(gè)帶有兩個(gè)相反電荷的小棒，而且這兩個(gè)電荷不在同一條直線上。這樣一來(lái)，電子就會(huì)違反一個(gè)非常重要的對(duì)稱性原理：宇稱對(duì)稱性。

宇稱對(duì)稱性是指，如果我們把物理系統(tǒng)中所有的空間坐標(biāo)都取反，那么物理規(guī)律不會(huì)發(fā)生變化。換句話說(shuō)，物理系統(tǒng)和它的鏡像是等價(jià)的。但是，如果電子有一個(gè)電偶極矩，那么它和它的鏡像就不一樣了。因?yàn)樗碾娕紭O矩會(huì)和它的自旋方向成一定的夾角，而它的鏡像的電偶極矩則會(huì)和它的自旋方向成相反的夾角。(www.Ws46.com)

那么，電子是否真的有一個(gè)電偶極矩呢？在標(biāo)準(zhǔn)模型中，即我們目前所知道的描述基本粒子和相互作用的理論中，電子的電偶極矩是非常小的，小到無(wú)法被實(shí)驗(yàn)測(cè)量出來(lái)。但是，在一些超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論中，比如超對(duì)稱理論，電子的電偶極矩可能會(huì)有一個(gè)可觀測(cè)的值。因此，尋找電子電偶極矩是一種探索新物理的方法。

如何測(cè)量電子電偶極矩呢？其中一種方法是利用一個(gè)裝置，叫做阿卡姆-赫伯特-康普頓-桑德斯環(huán)。這個(gè)裝置可以把一些分子束束縛在一個(gè)真空中，并且施加一個(gè)強(qiáng)大的垂直電場(chǎng)和一個(gè)弱小的水平磁場(chǎng)。這樣一來(lái)，分子中的電子就會(huì)在兩個(gè)方向上發(fā)生自旋進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且受到電偶極矩和外部場(chǎng)之間的相互作用。如果我們調(diào)節(jié)水平磁場(chǎng)的方向，并且測(cè)量分子發(fā)射出來(lái)的熒光光譜，那么我們就可以得到電子電偶極矩的值。

使用這種方法，物理學(xué)家們測(cè)得的電子電偶極矩幾乎為零。為了讓你有一個(gè)直觀的感受，你可以想象一下這樣一個(gè)比喻：如果你把地球看作是一個(gè)帶電的球體，那么它的電偶極矩就相當(dāng)于兩個(gè)相距0.1納米（即一個(gè)原子的大小）的電荷。這是多么微不足道的一種效應(yīng)啊！

你可能會(huì)問，既然電子電偶極矩這么小，為什么我們還要費(fèi)勁去測(cè)量它呢？答案是，因?yàn)樗赡軙?huì)給我們帶來(lái)一些驚喜。如果我們能夠測(cè)量出一個(gè)和標(biāo)準(zhǔn)模型不一致的電子電偶極矩的值，那么就意味著我們發(fā)現(xiàn)了一些新的物理現(xiàn)象。這樣一來(lái)，我們就可以打開一個(gè)新的視野，去探索我們所不知道的自然界的奧秘。這就是物理學(xué)的魅力所在。

磁共振的發(fā)明

電子自旋不僅是一個(gè)理論上的概念，它也有很多實(shí)際的應(yīng)用。其中一個(gè)最重要的應(yīng)用就是磁共振，或者叫做核磁共振。磁共振是一種利用電子自旋或者原子核自旋在外部磁場(chǎng)中的行為來(lái)探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的技術(shù)。它可以用于化學(xué)分析，物理測(cè)量，醫(yī)學(xué)診斷，生物學(xué)研究等領(lǐng)域。

磁共振的原理是這樣的：如果把一個(gè)帶有自旋的粒子放在一個(gè)恒定的外部磁場(chǎng)中，它的自旋就會(huì)和外部磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，并且傾向于和外部磁場(chǎng)平行或反平行。這兩種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于兩種不同的能量，我們可以把它們叫做低能態(tài)和高能態(tài)。如果我們?cè)俳o這個(gè)粒子施加一個(gè)交變的電磁波，那么當(dāng)電磁波的頻率等于兩種能態(tài)之間的差值時(shí)，就會(huì)發(fā)生一種現(xiàn)象：粒子會(huì)從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，或者從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)。這就是所謂的共振。當(dāng)粒子發(fā)生共振時(shí)，它會(huì)吸收或釋放一定量的能量，這個(gè)能量就是電磁波的能量。我們可以通過測(cè)量電磁波的吸收或釋放來(lái)得到粒子自旋的信息。

磁共振的發(fā)明要?dú)w功于兩位物理學(xué)家：普赫斯和布洛赫。他們?cè)?946年幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，并且分別用氫原子和鋰原子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。他們用一個(gè)強(qiáng)大的恒定磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生外部磁場(chǎng)，并且用一個(gè)線圈來(lái)產(chǎn)生交變電磁波。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交變電磁波的頻率等于氫原子核或鋰原子核自旋之間的能級(jí)差時(shí)，就會(huì)觀察到電流或電壓的變化。這就證明了核磁共振現(xiàn)象的存在，并且為后來(lái)的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。