Энергетические уровни спинового состояния

Когда частица со спином 1/2 помещается в достаточно сильное магнитное поле, которое достаточно медленно меняется в пространстве и времени, она становится поляризованной, и ее спин либо выровняется, либо будет направлен против направления магнитного поля. Обозначим магнитное поле через Б и вращение с . Тогда при этом условии потенциальная энергия становится

U "=" ± γ | с | | Б |

где γ - гиромагнитное отношение (которое может быть отрицательным), а верхний и нижний знаки соответствуют состояниям со спином вверх и со спином вниз соответственно.

Я считаю, что все это стандартная квантовая механика. Когда магнитное поле демонстрирует пространственный градиент (который не слишком велик), поле будет индуцировать силу, действующую на частицу со спином 1/2. На этом основан эксперимент Штерна-Герлаха. И, в частности, эксперимент SG показывает, что состояния со спином вверх и со спином вниз (по крайней мере, грубо) одинаково вероятны, когда источник частиц изначально неполяризован или поляризован в направлении, перпендикулярном Б как наблюдалось в последовательных экспериментах SG.

Однако, исходя из приведенной выше функции потенциальной энергии, ясно, что антиориентированное состояние имеет более низкую энергию для данного значения | Б | (при условии γ > 0 ). Так должен ли я удивляться тому, что два состояния с разными уровнями энергии кажутся равновероятными? Есть ли предпочтение, чтобы выровненное состояние в конечном итоге перешло в антивыровненное состояние с более низкой энергией в постоянном магнитном поле? Я никогда не видел, чтобы этот вопрос рассматривался в учебниках по QM или где-либо еще.

Ответы (2)

Разница в энергии наряду с большей термодинамической вероятностью занятия нижнего уровня реальна. Существует приложение, ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) спектроскопия/воображение/квантовые вычисления. Но из-за очень небольшой разности энергий для технически достижимых магнитных полей эффект обычно пренебрежимо мал при комнатной температуре. ЯМР справляется с крошечным дисбалансом, присутствующим при комнатной температуре.

Если источник частиц «неполяризованный», это буквально означает, что с одинаковой вероятностью можно найти частицы из этого источника в любом собственном энергетическом состоянии — это определение «неполяризованного», поэтому вам не следует этому удивляться.

Когда спин частицы «перпендикулярен магнитному полю», это еще один способ сказать, что частица находится в равной суперпозиции двух собственных энергетических состояний, то есть

| ψ "=" а | + б |

где | а | "=" | б | . Это также означает, что вероятность нахождения частицы в любом состоянии равновероятна:

| | ψ "=" | а | 2 "=" | б | 2
| | ψ "=" | б | 2 "=" | а | 2

Однако вы правы в том, что в тепловом равновесии под влиянием магнитного поля вы должны ожидать больше собственного состояния с более низкой энергией, чем с более высокой энергией, причем относительные вероятности пропорциональны следующим образом:

п ( ± Е ) "=" е Икс п γ | с | | Б | к Т
Но это не так во время эксперимента SG.

Не могли бы вы объяснить, почему ваше последнее уравнение не применимо к эксперименту SG? Я предполагаю, что после того, как популяция частиц подвергнется воздействию магнитного поля, потребуется некоторое время, чтобы достичь нового теплового равновесия в соответствии с вашим последним уравнением. Во время этого процесса будет некоторая вероятность того, что спиновые состояния перевернутся, причем большинство переворотов произойдет от более высоких энергий к более низким. Как мы можем быть уверены, что SG не был в равновесии? Есть ли способ оценить время достижения равновесия?