电子自旋的发现
在上个世纪二十年代初期，物理学家们已经知道了原子由正负电荷组成，而且正负电荷都有一定的量子化单位：质子和电子。他们也知道了原子中有一个小小的核心，叫做原子核，由质子和中子组成，而电子则围绕着核心运动。他们还知道了电子运动的规律遵循着波粒二象性，即电子既可以表现为粒子，也可以表现为波。
但是，在这个看似完美的理论中，还有一些问题没有解决。比如说，氢原子光谱中的一些细微差别。氢原子只有一个电子，所以它的光谱应该很简单。但实际上，在氢原子光谱中，有一些线是由两条非常接近的线组成的，这就是所谓的精细结构。物理学家们试图用相对论效应来解释精细结构，但是还是不能完全符合实验结果。
1921年，康普顿提出了一个大胆的假设：也许电子不仅有轨道角动量，还有自身角动量，或者叫做自旋。他认为电子可以看作是一个带电荷的小球，在自己周围旋转，并产生一个磁场。这样一来，电子就有两种可能的自旋状态：顺时针或逆时针。康普顿还推测，如果把一个带有自旋的带电粒子放在一个外部磁场中，它的能量会发生变化，因为它的磁矩会和外部磁场产生相互作用，这就是所谓的塞曼效应。康普顿用这个假设来解释了一些铁磁物质的性质，但是他没有给出电子自旋的具体数值，也没有提供实验证据。
1922年，斯特恩和格拉赫设计了一个实验，来检验康普顿的假设。他们把一束银原子蒸汽通过一个非均匀的磁场，然后观察银原子在屏幕上的分布。如果没有自旋，那么它们应该在屏幕上形成一个连续的条纹。如果有自旋，并且自旋可以取任意值，那么它们应该在屏幕上形成一个模糊的斑点。但是，实验结果却出乎意料：银原子在屏幕上形成了两个清晰的点，分别对应于两种不同的自旋方向。这就证明了电子自旋的存在，而且电子自旋是量子化的，只能取两个离散的值：+1/2或-1/2。这个实验被称为斯特恩-格拉赫实验，是量子力学史上的一个里程碑。
1925年，古德斯密特和乌伦贝克在知道了斯特恩-格拉赫实验的结果后，提出了一个更完善的电子自旋理论。他们认为电子自旋不是由电子真正的空间旋转造成的，而是一种内禀的量子属性。他们还引入了第四个量子数：自旋量子数ms，来描述电子自旋的状态。ms只能取+1/2或-1/2两个值，分别对应于向上或向下的自旋方向。他们用这个理论来解释了氢原子光谱中的精细结构，并且得到了很好的符合。
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- 发表于 2024-09-11 17:41
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