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到底什么是【自旋】?

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  • 瑞小侠
  • τ中微子
    5
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维基的定义是这样的:
在量子力学中,自旋(英语:Spin)是粒子所具有的内在性质,其运算规则类似于经典力学的角动量,并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转(例如行星公转时同时进行的自转)相类比,但实际上本质是迥异的。经典概念中的自转,是物体对于其质心的旋转,比如地球每日的自转是顺着一个通过地心的极轴所作的转动。
对于我这个刚上高一且完全没什么课外实质性学习的渣而言,完全无法理解。
和“自转”的区别很大吗?
目前正在扩展“电子轨道”的知识,自旋这个词简直无处不在……


  • 瑞小侠
  • τ中微子
    5
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在1924年,沃尔夫冈·泡利Wolfgang Ernst Pauli在研究碱金属元素的发射光谱时,
首先引入他称为是“双值量子自由度”(two-valued quantum degree of freedom)的东西,
这使他可以形式化地表述【泡利不相容原理】,即没有两个电子可以在同一时间共享相同的量子态。
【电子在原子外排布的量子态的相关数值一般认为有4个,电子层,电子亚层,电子云伸展方向,自旋方向】
然而泡利的这个“双值量子自由度”的物理解释不明。但没人知道那到底是什么东西。
后来在1925年Ralph Kronig认为泡利所谓的“自由度”,可能是由电子的自转产生的。
当泡利听到这个想法时,他予以严厉的批驳,他指出为了产生足够的角动量,
电子的假想表面必须以超过光速运动,而这显然就将违反相对论。
同年秋天,两个年轻的荷兰物理学家George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit产生了同样的想法。
在保罗·埃伦费斯特的建议下,他们以一个小篇幅发表了他们的结果,并得到了正面反应。
尽管最初反对这一想法,但(傲娇的)泡利还是于1927年利用量子理论形式化了自旋理论。
他开拓性地使用泡利矩阵作为一个自旋算子的群表述,并且引入了一个二元旋量波函数。
但是泡利的理论是非相对论性的。
1928年P.A.M.狄拉克提出电子的相对论波动方程,方程中自然地包括了电子自旋和自旋磁矩。
在狄拉克方程中,一个四元旋量(所谓的“狄拉克旋量”)被用于电子波函数。
【旋量是为了扩充描述一个完整的矢量的旋转过程而引入的一个数学量,但并不仅限于此】
狄拉克建立的方程是一个同时具有洛伦兹协变性和薛定谔方程形式的波函数。
由于薛定谔方程只含有线性的一阶导数从而不具有洛伦兹协变性。
【洛伦兹协变性简单的说就是,粒子间的相互作用的传递的最高速度,必须在所有参照系里都一致。】
因此狄拉克构建了一个具有线性的空间一阶导数的哈密顿量。【哈密顿量是拉格朗日的重新表述。】
这个理由是因为空间的一阶导数正好是动量。于是他就在薛定谔方程进行了一点修改,关于H的一个哈密顿量。
他就假设关于空间的这些系数都是一个N×N阶的矢量矩阵,以此满足满足洛伦兹协变性。
但也因此,波函数就不能只是简单的标量场了,它也必须是一个N×1阶列矢量矩阵,等式才能平衡。


2025-08-08 20:55:53
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  • 瑞小侠
  • τ中微子
    5
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狄拉克则把这些列矢量叫做旋量(Spinor),而这些旋量所决定的概率密度总是正值。
这就与克莱因-戈尔登方程有可能会出现负值的情况不一样了。【概率密度为负值是没有物理意义的。】
而这些旋量的每一个标量分量则要求满足克莱因-戈尔登方程。
因此该系数矩阵α和β本征值只可以取±1,并且要求是无迹的,即矩阵的对角线元素和为零。
这样,矩阵的阶数N只能为偶数,即包含有相等数量的+1和-1。
而满足这样的条件的最小偶数是4而不是2,原因是存在3个泡利矩阵。
因此考虑到泡利矩阵,我们最后看到的狄拉克方程就是那个样子的了。
【方程本身是什么无所谓,反正它就是这么出来的→_→】
【关于旋量大家可能不太理解,我就举个四元数的运算规律好了。】
【1x1=1,1xi=i,1xj=j,1xk=k】
【ix1=i,ixi=-1,ixj=k,ixk=-j】
【jx1=j,jxi=-k,jxj=-1,jxk=i】
【kx1=k,kxi=j,kxj=-i,kxk=-1】
【对→_→没错,“乘法交换律”在这里不适用,你没法用九九乘法表去描述这个关系吧?】
【旋量也是与之类似的,物理学中很多东西只能用它描述】


  • 瑞小侠
  • τ中微子
    5
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那么在这之后的1940年,泡利证明了“自旋统计定理”,它表述了费米子具有半整数自旋,玻色子具有整数自旋。
费米子遵循费米-狄拉克统计,玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计。【具体那是什么,请别问我→_→太复杂了】
由于这两个东西在解决实际问题的数学计算的太过复杂,所以一般都简化为麦克斯韦-玻尔兹曼统计。
费米子和玻色子的区别在于费米子必须占据反对称的量子态,而玻色子可以占据对称的量子态,因此可以占据相同的量子态。
所以费米子的自旋数总是具有半整数自旋的,而玻色子则总是具有整数或正半奇数(这是由于夸克的问题)的自旋。
自旋对原子尺度的系统格外重要,诸如单一原子、质子、电子甚至是光子,都带有正半奇数(1/2、3/2等等)或含零正整数(0、1、2)的自旋。
复合粒子也带有自旋,其由组成粒子(可能是基本粒子)之自旋透过加法所得;例如质子的自旋可以从夸克自旋得到。
那么→_→总结一下
在量子力学中,自旋(Spin)是粒子所具有的内在性质,
其运算规则类似于经典力学的角动量,并因此产生一个磁场。
透过理论以及实验验证发现基本粒子“可视为”是不可分割的点粒子,
【点粒子是理想模型,维度为0,不占据任何空间,与物体的大小、形状、结构无关。】


  • 瑞小侠
  • τ中微子
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原帖地址: http://tieba.baidu.com/f?kz=3316702202&ala_pos=sub1&mo_device=1&ssid=0&from=1010504b&uid=0&pu=usm@0,sz@1320_1003,ta@iphone_2_4.4_1_10.2&bd_page_type=1&baiduid=EF4D0F38928097E84C71EDBAFB8923C6&tj=tieba2_3_0_10_l1?pn=0&


  • 瑞小侠
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搜到的其他答案:



  • 瑞小侠
  • τ中微子
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自旋(Spin)
目前为止科学家们实验中看不到基本粒子的组成, 也就是说基本粒子在我们的眼中就像是数学上的一个点,没有大小。目前为止科学家们实验中看不到基本粒子的组成,也就是说基本粒子在我们的眼中就像是数学上的一个点,没有大小。 然而实验上观测到很多基本粒子都带有内在的角动量 。然而实验上观测到很多基本粒子都带有内在的角动量 。
以我们日常生活的尺度(巨观尺度)来观察事情的话,会发现有内在角动量的东西都是会自转的, 比方说:地球,陀螺.以我们日常生活的尺度(巨观尺度)来观察事情的话,会发现有内在角动量的东西都是会自转的,比方说:地球,陀螺. . . 等等。等等。
那麼,基本粒子是不是在自转呢?那么,基本粒子是不是在自转呢?
但是一个没有大小的基本粒子在自转,这实在是很难想像。但是一个没有大小的基本粒子在自转,这实在是很难想像。
因此物理学家们就赋与基本粒子一个新的物理量,叫做自旋 (spin), 来代表它的角动量。因此物理学家们就赋与基本粒子一个新的物理量,叫做自旋(spin),来代表它的角动量。 至於这个角动量的来源是什麼,以现在科学的进展还无法了解。至于这个角动量的来源是什么,以现在科学的进展还无法了解。
所有基本粒子的自旋都是很小的,而且和蒲郎克常数有很单纯的关系。所有基本粒子的自旋都是很小的,而且和蒲郎克常数有很单纯的关系。 若以蒲郎克常数为单位,基本粒子的自旋都是 0, 1/2, 1, 3/2, .... 等等简单的量。若以蒲郎克常数为单位,基本粒子的自旋都是0, 1/2, 1, 3/2, ....等等简单的量。


  • 瑞小侠
  • τ中微子
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综上,是一个理论上类似旋转但是实际上没有旋转否则违背相对论的旋转?


2025-08-08 20:49:53
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  • 瑞小侠
  • τ中微子
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几分之几的自旋是什么意思?


  • 瑞小侠
  • τ中微子
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@希格斯的玻色子


  • 瑞小侠
  • τ中微子
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@希格斯_玻色子


  • 瑞小侠
  • τ中微子
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无机化学第四版是这样说的:


  • 梱枝りこ
  • 夸克
    6
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是粒子的一种一种内禀性质。自旋是量子化的。


  • xianmc1994
  • 胶子
    2
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为什么E=MC2


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