电子并没有自旋磁矩摘要 在量子力学中，电子被描述为点粒子，但电子的自旋却被描述为电子的基本性质之一，既然是点粒子如何自旋呢？本文认为，电子的磁矩只是电子在磁场中运动时所产生的效应，在自由空间中，电子并没有磁矩，自旋也不是电子的基本性质。 关键词：自旋，共振，轨道，角动量 1.电子自旋的来源 1925年，乌伦贝克和古兹密特受到泡利不相容原理的启发，分析原子光谱的一些实验结果，提出电子具有内禀运动——自旋，并且有与电子自旋相联系的自旋磁矩，由此可以解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应。 2.电子自旋的经典解释 2.1.电子的磁矩 任何粒子在自由空间中是不可能静止不动的，除非它没有温度，电子也不例外。当自由电子在磁场中运动时，在洛仑兹力的作用下，它将作匀速圆周运动。根据磁矩的定义，电子的磁矩为：μ= I·S=πqvr2/2πr= qvr/2，其中，q是电子的电量，v是电子的速度，r是电子的轨道半径。在均匀磁场中，由于洛仑兹力与离心力相等：qvB= mv2/r，可得电子的速度与半径的关系为v= qBr/m，角速度为常数ω= qB/m，代入磁矩公式可得：μ= q2Br2/2m。 可以看出：电子的磁矩与外磁场的强度成正比，与轨道半径的平方成正比，没有外磁场，电子就没有磁矩。 2.2.电子的共振 任何自由的微观粒子在以太中运动时，都会存在共振现象，当粒子直线运动时，其共振频率与它的运动速度有关，可表示为：f= mv2/h，当粒子圆周运动时可表示为：mvr=ℏ。然而，粒子共振的条件非常苛刻，但却是粒子运动的常态，只有当粒子处于共振状态时，系统才是稳定的。 2.3.电子共振时的磁矩 当电子绕核运动时，如果系统是稳定的，电子必须同时满足离心力与电场力相等kQq/r2=mv2/r和mvr=ℏ这两个等式，对于氢原子，可以计算出电子的速度v= 2.19x106 m/s，轨道半径r= 5.29x10-11 m，这时，电子的磁矩为μ= qvr/2 = 9.27x10-24 Am2。对于在磁场中运动的电子，如果电子长时间稳定运行，也必须同时满足离心力与磁场力相等qvB=mv2/r和mvr=ℏ这两个等式，例如，磁场强度为5T的均匀磁场，可以计算出电子的速度v= 1.01x104 m/s，轨道半径r= 1.15x10-8 m，这时，电子的磁矩为μ= qvr/2 = 9.27x10-24 Am2，轨道频率为1.4x1011Hz。 可见，在任何情况下，只要电子运动在共振状态，电子的磁矩是一个固定的常数，是一个玻尔磁子。 2.4.电子的反常磁矩 由于电子圆周运动（速度远低于光速时）不辐射电磁波，因此，我们很难直接测量电子共振时的轨道频率，更无法直接测量它的磁矩，我们只能再外加一个电磁波，使电子的轨道为椭圆（当轨道为椭圆时可以辐射电磁波，其频率就是电子的轨道频率），但是，这样做的结果是电子偏离共振状态，所测量到的频率并不是电子的自由共振频率，这就是电子反常磁矩的来源，也就是说，电子并不是自由运动，而是在外力作用下的强迫运动，失去了自由共振存在的条件，因此，磁场强度与微波的频率之间并不是一个常数，表1是苏海瑞同学的电子自旋共振实验报告[1]。 表1. 电子自旋共振实验报告
3.实验现象的经典解释 3.1.碱金属的双线结构 量子理论认为，碱金属的双线结构是因为轨道角动量与自旋角动量的耦合，由于自旋具有两个方向，因而有两种耦合方式，电子的能级就有两个。但自旋角动量比较小，所以两能级挨得比较近，因而是双线结构。 但是，量子理论并不承认电子具有轨道，那么，角动量如何耦合？电子的能级是从哪里来的？原子的发光描述为电子的跃迁，但电子是如何跃迁的呢？光子又是如何产生的呢？ 本文认为，原子发光是电子的椭圆运动产生的，属于轫致辐射，发光强度与电子的急动度成正比。碱金属的双线结构是因为内层电子的干扰，与电子是否自旋无关。 3.2.反常塞曼效应 量子理论认为，反常塞曼效应是指在弱磁场中的原子，由于磁场足够弱，因而自旋轨道耦合能量不能忽略，原子能级的精细结构因弱磁场的存在而进一步发生分裂，称为反常塞曼效应。在引入电子的自旋轨道耦合能后，反常塞曼效应得到了圆满的解释。 但是，电子是点粒子，如何自旋呢？这种解释并不能令人信服，用不存在的物理作用去解释物理现象，并不比神话更高明。既然磁场能够影响外层电子的运动，为什么内层电子不受影响呢？也就是说，反常塞曼效应很可能也是内层电子的影响。 3.3.史特恩-盖拉赫实验 量子理论认为，乌伦贝克和古兹密特提出电子自旋的假设后，实验结果才得到了全面的解释。 如果这种解释是正确的，也就是说，是电子的磁矩在磁场中所受的力使银原子产生了运动。但是，最外层的电子所受到的力能拉动比它重近20万倍的庞然大物吗？如果地球受到某种力，它能拉动太阳吗？而且，电子的磁矩方向为什么不是完全与外磁场的方向保持一致，而是一半一致，另一半相反呢？ 实际上，银原子的最外层电子在磁场中运动时，确实会产生一个磁矩，但这个磁矩是原子的磁矩，其方向与外磁场相同，但它并不是电子的磁矩。这个磁矩在不均匀磁场中也确实能产生一个力，就象一个磁铁一样，但它向哪个方向运动，主要是根据它距哪个磁极更近。 银原子经过非均匀磁场时，运动轨迹分裂为二的过程为：银原子没有进入磁场之前，其原子磁矩的指向是随机的，但进入磁场之后，原子磁矩的方向在洛仑兹力的作用下迅速与外磁场的方向相同，这时，原子在磁场中所受到的力与它所在的位置有关：与外磁场的哪个磁极更近，就受那个磁极的吸引，因为原子不可能在绝对中线上运动，它总会偏向某一个磁极，如果银原子源的位置不在中间，在接收端的屏幕上，两边的银原子数也不会对称。 4.结论 自由电子在自由空间中不存在磁矩，只存在共振，但自由电子在磁场中，就会存在磁矩，但磁矩并不是自旋产生的，而是运动产生的，因为它不可能静止。即使电子自旋，它也不会产生磁矩，因为电子是点粒子。 参考文献 [1] https://www.docin.com/p-2777593190.html |
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