电子的自旋状态包括,如何理解自旋单态和自旋三重态? <#21---->


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自旋单态和自旋三重态是研究两个1/2自旋耦合时得到的结果。根据量子力学的基本理论,1/2自旋的粒子属于费米子,直接想到的例子就是电子。当考虑两个耦合电子波动方程的解时,必须要考虑到泡利不相容原理。泡利不相容原理说的是,在一个量子系统中,任意两个费米子不能占据相同的量子态。这是费米子作为全同粒子的必然要求。

我们可以形式上去考虑一下费米子的波函数。如果不考虑自旋和轨道的相互作用,那么电子波函数可以写成轨道部分和自旋部分的乘积。根据费米子的定义,它的波函数必须是反对称化的。所以可以分为两种情况:

我们考虑两个电子的自旋,可以很容易地想象出四种所有的四种状态,即↑↑,↑↓,↓↑,↓↓。但是这四种状态不符合全同粒子的基本要求。如果是全同粒子的话,我们将不能分辨出两个电子,假如是A和B,到底哪个自旋向上,哪个自旋向下。

这个时候我们可以对上面四种状态做一下处理,得到四种本征自旋态,即

其中前三种是对称化的,称为自旋三重态,最后一种是反对称化的,称为自旋单态。后面括号中的两个数分别标出了对应自旋态下的总自旋和自旋z方向分量的值。

有些朋友可能会云里雾里。很多人接下来都会想到一个问题就是,什么体系处于自旋单态,什么体系处于自旋三重态呢?首先,我们要寻找的就是多电子体系,因为单电子体系中是不存在自旋耦合问题的。最简单的多电子体系就是氦原子,它有两个电子。我们将处于自旋三重态的氦称为正氦,处于自旋单态的氦称为仲氦。自旋三重态的氦和自旋单态的氦形成了两套独立的光谱。可以想象,单态氦的光谱线是单线光谱,而三重态的氦则会有复杂的光谱结构。

事实上,日常生活中见到的大多数分子都以自旋单态的形式存在,有一个例外是氧分子。在室温下,氧分子以三重态的形式存在,通过光化学或者热激发的方式可以使其进入自旋单态。

不懂物理,我的理解是:辟如,你用左右两手分别掐住绳子两端,在两只手都一直掐住不放的情况下,你不可能在绳子上打一个死结。反之,同理,你也不可能在两端都掐住不放的情况下,解开绳子上已有的死结。生活科学同理。