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附录Ⅰ:近距离看自旋

自旋是“普朗克常数”的量子化倍数。普朗克常数等于一个粒子的能量除以它的频率,它的值总是恒定的:6.6×10-34J·s。粒子的自旋可以是普朗克常数的半整数倍或整数倍,即1/2普朗克常数,1普朗克常数,3/2普朗克常数,2普朗克常数,5/2普朗克常数等,它既可以取正数,也可以取负数(1)。

半整数自旋的粒子叫“费米子”,整数自旋的粒子叫“玻色子”,它们的行为非常不同(实例参阅第14章)。尽管所有粒子都有自旋,但并非所有粒子都有磁性。

“磁矩”是关于粒子磁性的术语。磁矩决定了粒子磁场的强度,它的公式如下:

其中,μ表示粒子的磁矩,它相当于“磁荷”。g表示朗德g因子,每个粒子的数值都是特定的。

e表示电荷,M表示质量,c表示宇宙极限速度(参阅第8章)。S表示自旋矩阵,这是一个2×2的数字网格,用于追踪粒子自旋的不同方式。

对于日常生活中的物体,我们可以用“角动量”来定义它的自旋,角动量可以衡量粒子的重量、自旋速度和旋转方向(顺时针或逆时针)。而对于量子力学中的自旋,这些数字是不够的,我们必须用四个可能的指向来描述它(我们称为自旋的四维矢)。有时自旋被称为“内禀角动量”,因为这是一种类似于角动量的性质,即使粒子处于静止状态,它也包含这部分特性。

这个方程表明,粒子的磁矩是它所有属性共同作用的结果。在施特恩-格拉赫实验中,他们实际测量的是银原子的磁矩,但由于每个粒子的质量、电荷与g都是特定的,所以原子飞行的两个方向必然是S(自旋属性)的结果。所以,尽管这个实验没有直接测量每个粒子的自旋(我们无法直接测量,因为我们甚至不知道自旋是什么样子),但我们可以通过磁性测量自旋的差异。

同样重要的还有,要使粒子具有磁性,它必须具有自旋和电荷。有自旋而无电荷的粒子,比如有1/2自旋而无电荷的中微子(第14章中讨论的粒子),在上述方程中e=0,所以整个方程的结果也是0。电荷与磁性息息相关,有电荷的粒子一定有磁性,反之亦然。

附录Ⅱ:求解薛定谔

求解单个质子(氢原子)周围的单个电子的薛定谔方程是可行的。然而,一旦考虑多个电子,它就会变得非常困难。

氦原子有两个质子和两个电子,所以你需要考虑每个电子与其中一个质子的相互作用、每个电子与另一个质子的相互作用、两个电子的相互作用、两个质子的相互作用,然后把所有这些结合起来。而且是在三维空间中将其结合起来。

原子或分子越大,我们需要处理的相互作用就越多,到最后即使强大的计算机也很难做到面面俱到。因此,在求和中使用几个近似值是理所当然的,这既节省了时间,又能给出近乎完整的薛定谔解。

我们经常使用的一种方法叫“轨道近似”。你可以想象原子中只有一个电子,我们给它提供更高的能量,迫使它进入高能轨道。

例如,当我们试图计算有26个电子的原子形状时,我们通常把它想象成一个氢原子,其电子能量是普通氢原子的26倍,这样看起来非常接近。

这就像是一个小孩通过踩高跷和穿大号衣服来模仿成年人。这个画面并不确切,但要感受“更大的版本是什么样子”,这是个很合适的方法。

我们使用的另一种方法叫“玻恩-奥本海默近似”,也就是假设原子核的能量与振动相比于电子非常缓慢,可以忽略不计。我们想象电子绕着一个带正电的点盘旋或波动,该点本身不值得一提。这让我们可以专注于电子以及电子之间的相互作用,而不考虑原子核对电子的影响。

但毫无疑问,薛定谔方程最好的近似解是“密度泛函理论”,由沃尔特·科恩和约翰·波普尔发明,他们因此获得了1998年的诺贝尔奖。

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