自旋是量子力學(xué)中的一種基本概念，它描述了微觀粒子具有的一種內(nèi)稟角動(dòng)量，類似于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺。自旋不僅影響了粒子的磁性、光譜和統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，而且也是量子信息和量子計(jì)算等領(lǐng)域的重要資源。那么，自旋是如何被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的呢？下面我們來介紹幾個(gè)關(guān)于自旋的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

施特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)

施特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)是1922年由德國(guó)物理學(xué)家奧托·施特恩和沃爾特·格拉赫進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，它是第一個(gè)直接觀測(cè)到自旋效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。他們使用了一束銀原子作為粒子源，讓它們通過一個(gè)非均勻的磁場(chǎng)，然后在屏幕上觀察到銀原子的分布。

根據(jù)經(jīng)典理論，銀原子應(yīng)該在屏幕上形成一個(gè)連續(xù)的條帶，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖艌?chǎng)中受到的力與它們的磁矩成正比，而磁矩又與它們的軌道角動(dòng)量成正比。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻出乎意料地顯示了兩條分離的條帶，這意味著銀原子有兩種不同的磁矩，并且這兩種磁矩之間沒有中間值。這就暗示了銀原子存在著一種新的、不連續(xù)的、與軌道角動(dòng)量無關(guān)的角動(dòng)量——自旋。施特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)為電子自旋理論的提出奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并為后來的量子力學(xué)發(fā)展提供了重要啟示。

光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)

光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)是指原子光譜中某些譜線由于電子自旋和軌道角動(dòng)量之間的耦合而分裂成多條更細(xì)微的譜線。這種現(xiàn)象最早由法國(guó)物理學(xué)家阿爾弗雷德·佩吉在1896年發(fā)現(xiàn)，并由英國(guó)物理學(xué)家阿諾德·索末菲在1916年用半經(jīng)典理論解釋。

索末菲假設(shè)電子除了繞核運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)內(nèi)稟角動(dòng)量——自旋，并且自旋和軌道角動(dòng)量之間存在著相互作用，導(dǎo)致電子能級(jí)發(fā)生微小的分裂。當(dāng)電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)，會(huì)發(fā)射或吸收不同頻率的光子，從而形成光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)。索末菲還引入了總角動(dòng)量量子數(shù)J和總磁量子數(shù)M來描述電子自旋和軌道角動(dòng)量之和，并給出了能級(jí)分裂和譜線強(qiáng)度的公式。索末菲的理論能夠很好地解釋氫原子等單電子原子的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，并為后來的玻爾-索末菲模型和狄拉克方程奠定了基礎(chǔ)。

反常塞曼效應(yīng)

塞曼效應(yīng)是指原子在外加磁場(chǎng)中的光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象，它由荷蘭物理學(xué)家皮特魯斯·塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)，并由洛倫茲用經(jīng)典理論解釋。根據(jù)經(jīng)典理論，原子在磁場(chǎng)中的能量與軌道角動(dòng)量的磁量子數(shù)成正比，因此能級(jí)分裂的間隔與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這被稱為正常塞曼效應(yīng)。

然而，在某些情況下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的能級(jí)分裂的間隔不僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，還與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，這被稱為反常塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)表明，經(jīng)典理論不能完全解釋原子在磁場(chǎng)中的行為，需要考慮電子自旋和軌道角動(dòng)量之間的耦合。1925年，烏倫貝克和古德斯米特用電子自旋理論解釋了反常塞曼效應(yīng)，并給出了能級(jí)分裂的公式。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子自旋和軌道角動(dòng)量平行時(shí)，能級(jí)分裂比正常塞曼效應(yīng)大；當(dāng)電子自旋和軌道角動(dòng)量反平行時(shí)，能級(jí)分裂比正常塞曼效應(yīng)小。這種差異就是反常塞曼效應(yīng)的來源。