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  • 1 # 飛賊克斯和康德馬特

    提出這個問題,估計是受到太陽系行星模型的影響,的確,在太陽系中,地球繞太陽公轉的同時,地球本身也在不斷自轉。那麼在原子內部,電子繞原子核運動,也貌似如此?事實是否定的,原子的行星模型並不準確。電子在原子核外運動主要用電子雲的方式來描述,即在空間上存在一定的機率分佈,只不過機率最大的分佈就像一條“軌道”而已。那麼,電子存在自轉嗎?如果電子存在自轉,那麼因為電子帶電荷,它必然會形成一個磁矩。實驗上確實證明了這一點,但結果卻是電子磁矩只有兩種方式出現,朝上或朝下,並不是隨意的。後來把這個電子內部已有的磁矩叫做電子的自旋,這個名字有點混淆概念,自旋並不等於電子自轉。根據實驗測量到的自旋磁矩大小,可以推測,如果電子是因為自轉造成的自旋,那麼以電子那麼小的直徑,它邊緣必須超光速,顯然是不合理的。所以,與其說電子自旋是自轉來的,那不如說電子自旋其實就是電子本身具有一個特定的磁矩,就像電子具有電荷和質量一樣,自旋也是描述電子的一個量子數。

    那麼原子內部的質子和中子,也有自旋嗎?答案是對的,它們都存在自旋,而且它們都具有磁矩。關於自旋,我們還要認識到一點是,自旋分整數和半整數,即自旋可以是1/2, 3/2,5/2,也可以是0, 1, 2等等。電子,質子,中子的自旋都是1/2,換句話說,它們的自旋都只有兩種狀態,+1/2和-1/2,即所謂朝上和朝下。也就是說他們都具有特定的磁矩,其中中子沒有電荷。同理,這也不能說明質子和中子就存在自轉。

    對於整個原子而言,它的磁矩來自於幾個部分,原子核裡面質子和中子會形成核自旋,原子核外電子集體會有電子自旋疊加,還有電子運動的軌道磁矩,其中核自旋相對電子自旋來說非常弱,幾乎可以忽略不計,電子軌道磁矩相對電子自旋磁矩也弱不少,如果自旋與軌道耦合不強的話,也可以忽略。所以原子的磁矩就可以簡單用電子自旋疊加來得到,比如兩個電子自旋+1/2 -1/2疊加就可以得到自旋為零的原子。同理,也會有自旋為其他整數或半整數的原子,其中一些磁性原子如Mn、Cr、Co、Ni、Ce等的自旋就是半整數,磁矩比較大。如果原子的自旋不為零,是否說明原子在自轉呢?當然不是!這個問題和電子自旋不等於電子自轉一樣道理。此外,從原子結構模型也可以很簡單理解。原子核佔據原子的絕大部分質量且極小部分體積,那麼原子絕大部分是“空蕩蕩”的,外面是電子雲的天下,這種情況下,原子本身就不能簡單用一個實心球體來理解,也就完全沒必要形成有固定的旋轉軸。但是,因為原子磁矩的存在,它的角動量(描述自轉的物理量)並不一定等於零,所以,從經典的角度來看,也可以等效原子在“自轉”。

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