^French, A. P. Special Relativity (The M.I.T Introductory Physics Series). W. W. Norton & Company, Inc. 1968: pp. 237–250. ISBN 0748764224. 引文格式1维护:冗余文本 (link)
^Griffiths, David J. Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. 2004: pp. 266–276. ISBN 0-13-111892-7. 引文格式1维护:冗余文本 (link)
E. U. Condon and G. H. Shortley. The Theory of Atomic Spectra. Cambridge University Press. 1935. ISBN 0-521-09209-4.
自旋, 軌道作用, 在量子力學裏, 一個粒子因為自旋與軌道運動而產生的作用, 稱為, 英語, spin, orbit, interaction, 也稱作自旋, 軌道效應或自旋, 軌道耦合, 最著名的例子是電子能級的位移, 電子移動經過原子核的電場時, 會產生電磁作用, 電子的自旋與這電磁作用的耦合, 形成了, 譜線分裂實驗明顯地偵測到電子能級的位移, 證實了理論的正確性, 另外一個類似的例子是原子核殼層模型能級的位移, 半導體或其它新穎材料常常會涉及電子的自旋, 軌道效應, 自旋電子學專門研究與應用這方面的問題, . 在量子力學裏 一個粒子因為自旋與軌道運動而產生的作用 稱為自旋 軌道作用 英語 Spin orbit interaction 也稱作自旋 軌道效應或自旋 軌道耦合 最著名的例子是電子能級的位移 電子移動經過原子核的電場時 會產生電磁作用 電子的自旋與這電磁作用的耦合 形成了自旋 軌道作用 譜線分裂實驗明顯地偵測到電子能級的位移 證實了自旋 軌道作用理論的正確性 另外一個類似的例子是原子核殼層模型能級的位移 半導體或其它新穎材料常常會涉及電子的自旋 軌道效應 自旋電子學專門研究與應用這方面的問題 目录 1 電子的自旋 軌道作用 1 1 磁場 1 2 磁矩 1 3 哈密頓量微擾項目 1 4 能級位移 2 參閱 3 參考文獻 4 外部連結電子的自旋 軌道作用 编辑在這篇文章裏 會以相當簡單與公式化的方式 詳細地講解一個束縛於原子內的電子的自旋 軌道作用理論 這會用到電磁學 非相對論性量子力學 一階微擾理論 這自旋 軌道作用理論給出的答案 雖然與實驗結果並不完全相同 但相當的符合 更嚴謹的導引應該從狄拉克方程式開始 也會求得相同的答案 若想得到更準確的答案 則必須用量子電動力學來計算微小的修正 這兩種方法都在本條目範圍之外 磁場 编辑 雖然在原子核的靜止參考系 rest frame 並沒有作用在電子上的磁場 在電子的靜止參考系 有作用在電子上的磁場存在 暫時假設電子的靜止參考系為慣性參考系 則根據狹義相對論 1 磁場 B displaystyle mathbf B nbsp 是 B v E c 2 displaystyle mathbf B frac mathbf v times mathbf E c 2 nbsp 1 其中 v displaystyle mathbf v nbsp 是電子的速度 E displaystyle mathbf E nbsp 是電子運動經過的電場 c displaystyle c nbsp 是光速 以質子的位置為原點 則從質子產生的電場是 E Z e 4 p ϵ 0 r 2 r Z e 4 p ϵ 0 r 3 r displaystyle mathbf E frac Ze 4 pi epsilon 0 r 2 hat mathbf r frac Ze 4 pi epsilon 0 r 3 mathbf r nbsp 其中 Z displaystyle Z nbsp 是質子數量 原子序數 e displaystyle e nbsp 是單位電荷量 ϵ 0 displaystyle epsilon 0 nbsp 是真空電容率 r displaystyle hat r nbsp 是徑向單位向量 r displaystyle r nbsp 是徑向距離 徑向向量 r displaystyle mathbf r nbsp 是電子的位置 電子的動量 p displaystyle mathbf p nbsp 是 p m v displaystyle mathbf p m mathbf v nbsp 其中 m displaystyle m nbsp 是電子的質量 所以 作用於電子的磁場是 B Z e 4 p ϵ 0 m c 2 r 3 r p Z e 4 p ϵ 0 m c 2 r 3 L displaystyle mathbf B frac Ze 4 pi epsilon 0 mc 2 r 3 mathbf r times mathbf p frac Ze 4 pi epsilon 0 mc 2 r 3 mathbf L nbsp 2 其中 L displaystyle mathbf L nbsp 是角動量 L r p displaystyle mathbf L mathbf r times mathbf p nbsp B displaystyle mathbf B nbsp 是一個正值因子乘以 L displaystyle mathbf L nbsp 也就是說 磁場與電子的軌道角動量平行 磁矩 编辑 電子自旋的磁矩 m displaystyle boldsymbol mu nbsp 是 m g S displaystyle boldsymbol mu gamma mathbf S nbsp 其中 g g s q e 2 m displaystyle gamma frac g s q e 2m nbsp 是迴轉磁比率 gyromagnetic ratio S displaystyle mathbf S nbsp 是自旋角动量 g s displaystyle g s nbsp 是電子自旋g因數 q e displaystyle q e nbsp 是電荷量 電子的g 因數 g factor 是 2 displaystyle 2 nbsp 電荷量是 e displaystyle e nbsp 所以 m e m S displaystyle boldsymbol mu frac e m mathbf S nbsp 3 電子的磁矩與自旋反平行 哈密頓量微擾項目 编辑 自旋 軌道作用的哈密頓量微擾項目是 H m B displaystyle H boldsymbol mu cdot mathbf B nbsp 代入 m displaystyle boldsymbol mu nbsp 的公式 3 和 B displaystyle mathbf B nbsp 的公式 2 經過一番運算 可以得到 H Z e 2 4 p ϵ 0 m 2 c 2 L S r 3 displaystyle H frac Ze 2 4 pi epsilon 0 m 2 c 2 frac mathbf L cdot mathbf S r 3 nbsp 一直到現在 都還沒有考慮到電子靜止坐標乃非慣性坐標 這事實引發的效應稱為托馬斯進動 Thomas precession 因為這效應 必須添加因子 1 2 displaystyle 1 2 nbsp 在公式裏 所以 H Z e 2 8 p ϵ 0 m 2 c 2 L S r 3 displaystyle H frac Ze 2 8 pi epsilon 0 m 2 c 2 frac mathbf L cdot mathbf S r 3 nbsp 能級位移 编辑 在準備好了自旋 軌道作用的哈密頓量微擾項目以後 現在可以估算這項目會造成的能量位移 特別地 想要找到 H 0 displaystyle H 0 nbsp 的本徵函數形成的基底 使 H displaystyle H nbsp 能夠對角化 為了找到這基底 先定義總角動量算符 J displaystyle mathbf J nbsp J L S displaystyle mathbf J mathbf L mathbf S nbsp 總角動量算符與自己的內積是 J 2 L 2 S 2 2 L S displaystyle mathbf J 2 mathbf L 2 mathbf S 2 2 mathbf L cdot mathbf S nbsp 所以 L S 1 2 J 2 L 2 S 2 displaystyle mathbf L cdot mathbf S 1 over 2 mathbf J 2 mathbf L 2 mathbf S 2 nbsp 請注意 H displaystyle H nbsp 與 L displaystyle mathbf L nbsp 互相不對易 H displaystyle H nbsp 與 S displaystyle mathbf S nbsp 互相不對易 讀者可以很容易地證明這兩個事實 由於這兩個事實 H 0 displaystyle H 0 nbsp 與 L displaystyle mathbf L nbsp 的共同本徵函數不能被當做零微擾波函數 用來計算一階能量位移 E 1 displaystyle E 1 nbsp H 0 displaystyle H 0 nbsp 與 S displaystyle mathbf S nbsp 的共同本徵函數也不能被當做零微擾波函數 用來計算一階能量位移 E 1 displaystyle E 1 nbsp 可是 H displaystyle H nbsp J 2 displaystyle J 2 nbsp L 2 displaystyle L 2 nbsp S 2 displaystyle S 2 nbsp 這四個算符都互相對易 H 0 displaystyle H 0 nbsp J 2 displaystyle J 2 nbsp L 2 displaystyle L 2 nbsp S 2 displaystyle S 2 nbsp 這四個算符也都互相對易 所以 H 0 displaystyle H 0 nbsp J 2 displaystyle J 2 nbsp L 2 displaystyle L 2 nbsp S 2 displaystyle S 2 nbsp 這四個算符的共同本徵函數 n j l s displaystyle n j l s rangle nbsp 可以被當做零微擾波函數 用來計算一階能量位移 E n 1 displaystyle E n 1 nbsp 其中 n displaystyle n nbsp 是主量子數 j displaystyle j nbsp 是總角量子數 l displaystyle l nbsp 是角量子數 s displaystyle s nbsp 是自旋量子數 這一組本徵函數所形成的基底 就是想要尋找的基底 這共同本徵函數 n j l s displaystyle n j l s rangle nbsp 的 L S displaystyle mathbf L cdot mathbf S nbsp 的期望值是 n j l s L S n j l s 1 2 J 2 L 2 S 2 ℏ 2 2 j j 1 l l 1 s s 1 ℏ 2 2 j j 1 l l 1 3 4 displaystyle begin aligned langle n j l s mathbf L cdot mathbf S n j l s rangle amp 1 over 2 langle mathbf J 2 rangle langle mathbf L 2 rangle langle mathbf S 2 rangle amp hbar 2 over 2 j j 1 l l 1 s s 1 amp hbar 2 over 2 j j 1 l l 1 3 4 end aligned nbsp 其中 電子的自旋 s 1 2 displaystyle s 1 2 nbsp 經過一番繁瑣的運算 2 可以得到 r 3 displaystyle r 3 nbsp 的期望值 n j l s r 3 n j l s 2 Z 3 a 0 3 n 3 l l 1 2 l 1 displaystyle langle n j l s r 3 n j l s rangle frac 2Z 3 a 0 3 n 3 l l 1 2l 1 nbsp 其中 a 0 4 p ϵ 0 ℏ 2 m e 2 displaystyle a 0 frac 4 pi epsilon 0 hbar 2 me 2 nbsp 是波耳半徑 將這兩個期望值的公式代入 能級位移是 E n 1 Z 4 e 2 ℏ 2 8 p ϵ 0 m 2 c 2 a 0 3 j j 1 l l 1 3 4 n 3 l l 1 2 l 1 displaystyle E n 1 frac Z 4 e 2 hbar 2 8 pi epsilon 0 m 2 c 2 a 0 3 frac j j 1 l l 1 3 4 n 3 l l 1 2l 1 nbsp 經過一番運算 可以得到 E n 1 E n 0 2 m c 2 2 n j j 1 l l 1 3 4 l l 1 2 l 1 displaystyle E n 1 frac E n 0 2 mc 2 frac 2n j j 1 l l 1 3 4 l l 1 2l 1 nbsp 其中 E n 0 Z 2 ℏ 2 2 m a 0 2 n 2 displaystyle E n 0 frac Z 2 hbar 2 2ma 0 2 n 2 nbsp 是主量子數為 n displaystyle n nbsp 的零微擾能級 特別注意 當 l 0 displaystyle l 0 nbsp 時 這方程式會遇到除以零的不可定義運算 雖然分子項目 j j 1 l l 1 3 4 0 displaystyle j j 1 l l 1 3 4 0 nbsp 也等於零 零除以零 仍舊無法計算這方程式的值 很幸運地 在精細結構能量微擾的計算裏 這不可定義問題自動地會消失 事實上 當 l 0 displaystyle l 0 nbsp 時 電子的軌道運動是球對稱的 這可以從電子的波函數的角部分觀察出來 l 0 displaystyle l 0 nbsp 球諧函數是 Y 0 0 1 4 p displaystyle Y 0 0 frac 1 sqrt 4 pi nbsp 由於完全跟角度無關 角動量也是零 電子並不會感覺到任何磁場 所以 電子的 l 0 displaystyle l 0 nbsp 軌道沒有自旋 軌道作用 參閱 编辑斯塔克效應 塞曼效應 超精細結構 蘭姆位移參考文獻 编辑 French A P Special Relativity The M I T Introductory Physics Series W W Norton amp Company Inc 1968 pp 237 250 ISBN 0748764224 引文格式1维护 冗余文本 link Griffiths David J Introduction to Quantum Mechanics 2nd ed Prentice Hall 2004 pp 266 276 ISBN 0 13 111892 7 引文格式1维护 冗余文本 link E U Condon and G H Shortley The Theory of Atomic Spectra Cambridge University Press 1935 ISBN 0 521 09209 4 外部連結 编辑圣地牙哥加州大学物理系量子力学視聽教學 自旋 軌道作用 取自 https zh wikipedia org w index php title 自旋 軌道作用 amp oldid 74028033, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,