核外自旋方向相同的两个电子不可能占据同一轨道狄拉克相对论量子力学方程中包含了电子的自旋。后面我们将看到自旋与相对论效应之间的

来源: marketreflections 于 2010-12-08 09:49:34 [档案] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 阅读数 : (2712 bytes)

回答: economist 周其仁：利息乃货币之价，加息等于给货币加价, asset class repricing 由 marketreflections 于 2010-10-26 13:38:50

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自旋是绕自身轴心的旋转运动，自旋对于粒子来说并非是相对运动而具有绝对性，与相对运动不同的是，自旋运动的速度可以在系统内部测量出来。
自旋是粒子的基本属性。同一种基本粒子具有完全相同的自旋角动量，但自旋方向则是左右对称的。核外自旋方向相同的两个电子不可能占据同一轨道，这个叫泡利不相容原理。所以，自旋的方向也是基本粒子一个非常重要的固有属性（自由度），在狄拉克相对论量子力学方程中包含了电子的自旋。后面我们将看到自旋与相对论效应之间的关系。

核电子轨道运动的角动量和粒子自旋的角动量都是量子化的。核外电子轨道的角动量必须是狄拉克常数的整数倍，但粒子自旋的角动量只是半个狄拉克常数的整数倍。表现出单个粒子的角动量与电磁相互作用之间的粒子角动量的区别。另外，与带电粒子自旋相联系的磁偶极矩系数不是1而是g因子。这点与经典物理学粒子质量和电荷呈均匀球体分布的假设不相容，因而，不能把电荷想象成由更小的带电粒子绕自身轴心的旋转，而是作为一个整体不可分割。自旋和电荷一样是粒子的固有属性，粒子的自旋数和电荷都只与粒子的种类有关，并且都无法改变。

自然界所有已知的物质都是由自旋为1/2的费米子组成的，费米子包括我们熟悉的电子、夸克和中微子。这些费米子能够吸收和发射自旋为1的玻色子，从而产生相互作用。正因为这样，吸收或发射哪种玻色子是固定的。人们最熟悉的玻色子是光子，电磁相互作用就是靠吸收和发射光子引起的。标准模型预言存在两种自旋不为1的玻色子，引力子自旋为2，希格斯粒子自旋为0。

电荷为q，质量为m，自旋角动量为S的粒子的磁矩μ

因子g在假设电荷和质量占据相同半径球体时应该是1，但电子的g因子却是2。联系电子自旋与其电磁属性的狄拉克方程恰好给出了这个因子。另一个值得注意的现象是，不带电的中子有磁矩，一般解释为它不是基本的粒子，而是由带电的夸克组成的，磁矩来源于夸克。中微子是电中性的基本粒子，标准模型估计它也丰在非零磁矩，但实验证明中微子的磁矩小于电子磁矩的1.2 × 10-10。

在普通材料中，单原子磁矩相互抵消而没有表现出磁性。磁性材料在居里温度下，原子磁矩局部有序排列而产生磁性。须磁材料在外磁场作用下，原子磁矩顺着外磁场排列，反磁性材料则相反，原子磁矩与外磁场反向排列，即使需要耗能的情况下也是这样。

1928年英国物理学家狄拉克（Paul Adrien MauriceDirac）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好。这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程。