Пространственное квантование

 

В §84 мы установили, что модуль орбитального момента импульса электрона в атоме является квантовой величиной (см. формулу (84.2)). В квантовой механике также строго доказано, что проекция L_lz вектора орбитального момента импульса электрона на направление z внешнего магнитного поля принимает лишь целочисленные значения ћ:

 

(86.1)

 

где — магнитное квантовое число (l — орбитальное квантовое число, определяющее модуль вектора ).

Таким образом, вектор может принимать только 2l + 1 ориентаций в пространстве. Например, для электрона в p-состоянии (l = 1) возможны ориентации вектора (рис. 86.1). Для электрона в d-состоянии возможны ориентации вектора (рис. 86.2).

 

Рис. 86.1 Рис. 86.2

 

Дискретность возможных пространственных ориентаций момента импульса электрона относительно направления внешнего магнитного поля называют пространственным квантованием.

Пространственное квантование имеет не только орбитальный момент импульса электрона , но и собственный момент импульса электрона , называемый спином электрона. Проекция L_sz вектора спина электрона на направлении z внешнего магнитного поля принимает лишь значения согласно формуле

 

(86.2)

 

где — спиновое квантовое число. Таким образом, спин электрона имеет только две возможные ориентации во внешнем магнитном поле: по полю и против поля. Модуль электрона найдем по формуле

 

(86.3)

 

Предположение о существовании спина было высказано в 1925 г. американскими физиками Гаудсмитом и Уленбеком. По Гаудсмиту и Уленбеку, спин электрона есть момент импульса вращающегося заряженного шарика — электрона — вокруг своей оси. Однако позднее расчеты показали, что такой шарик должен был вращаться с линейной скоростью на своей поверхности, в 200 раз превышающей скорость света в вакууме. Поэтому от такого истолкования спина отказались.

В настоящее время спин электрона и других элементарных частиц рассматривают как некоторое особое свойство этих частиц, т. е. наряду с массой и зарядом они имеют еще и спин.