自旋在磁场中如何演化?分析斯特恩-盖拉赫实验
来源:粤科网2023-05-27

怎么借助斯特恩-盖拉赫实验装置制造出特定的自旋态?自旋态在磁场中会怎么演化?5月26日12时,《张朝阳的物理课》第一百四十五期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO、物理学博士张朝阳坐镇搜狐视频直播间,先给网友们复习了上一次直播课介绍的自旋的二维子空间及其上的态、算符的矩阵表示,然后推导了任意方向的自旋算符的本征态表达式,并通过斯特恩-盖拉赫实验介绍了怎么制造出特定的自旋态以及如何验证量子力学的假设。最后,张朝阳分析了自旋态在磁场中随时间的演化,得到了拉莫尔进动的结果。

 

课程一开始,张朝阳给网友们复习了上一次直播课的内容,包括斯特恩-盖拉赫实验、银原子在斯特恩-盖拉赫实验装置中受到的力,然后通过自旋算符各个分量的矩阵形式介绍了泡利矩阵及泡利矩阵的各个本征矢量。

 

接着,张朝阳构造出了一般方向的自旋分量算符的矩阵形式,并通过求解一个方程得到了一般自旋指向的态。借助这个态的形式,张朝阳分析了单个斯特恩-盖拉赫实验与二重斯特恩-盖拉赫实验的结果差异,并说明实验结果验证了量子力学的基本假设。

 

最后,张朝阳构造了磁矩在磁场中的哈密顿量算符。当磁场指向z轴正方向时,哈密顿算符正比于自旋z分量的算符,由此知道了Sz的本征态都是能量本征态。进一步地,张朝阳考虑了一般态下的薛定谔方程,求解了态随时间的演化,得到了著名的拉莫尔进动结果,并说明了即使考虑时间演化也不影响前面对实验结果的分析。

 

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播一百余期,内容大都从自然界的现象出发,引出基本物理概念,推导基本理论,研算现象后面的根本原因,达到本质的理解。课程中使用较多数学推导展示物理与数学的不可分割,也能帮助读者提升数学水平。