Интерпретация орбитального магнитного момента

Это ни то, ни другое. Эти описания — всего лишь мысленные образы для начинающих. Вам не нужно тратить на них время. Вся реальность подчиняется законам квантовой механики. То, что мы называем классической физикой, — всего лишь приближение к квантовой механике при определенных обстоятельствах.

Это важно: классическая физика вытекает из КМ, а НЕ наоборот.

Вы должны перестать думать в терминах классических блестящих бильярдных шаров, которые каким-то странным образом прыгают, и вы должны начать думать о таком сложном поле, как объект, который, если смотреть на него с высоты 30 000 футов, может давать распределения ожидаемых значений, которые могут выглядеть как треки частиц или электромагнитные волны.

При низких энергиях взаимодействия различных компонентов этого поля, то есть тех, которые соответствуют электрически заряженным фермионным состояниям («электронам») и незаряженным бозонным состояниям («фотонам»), могут в среднем воспроизводить обычную феноменологию взаимодействующих электронов. с электромагнитными полями, такими как силы Лоренца.

Однако это лишь малая часть того, что может воспроизвести модель QFT. Он также может с высокой точностью вычислять магнитные моменты, объяснять сверхтонкую структуру атомного перехода, объяснять материю и антиматерию и описывать ее образование, например, в процессах образования пар, а затем в некоторых других. В совокупности самая полная модель, которая у нас есть, описывает почти все аспекты физики элементарных частиц и объясняет поведение самых разных ядерных явлений.

На самом деле, в некотором смысле существует нечто , что движется. Это не то, что можно измерить для движения , а скорее часть квантово-механического описания, эволюция которого очень напоминает классическое движение электрона: фаза волновой функции.

См. эту Java-демонстрацию орбиты атома водорода. Если вы выберете «Комплексные орбитали (физ.)», а затем выберите состояние с$m\ne0$, то вы увидите, как цвета «вращаются». Это показывает, что фаза волновой функции действительно вращается вокруг$z$ось. В некотором смысле можно сказать, что это создает орбитальный магнитный момент.

Но обратите внимание, я повторю: это не наблюдаемое вращение само по себе ! Более того, угловая скорость фазы фактически не фиксирована - ее можно сдвинуть на произвольную постоянную (при условии, что она одинакова для всех состояний). Но он показывает, как волновая функция изменяется во времени. Если вы попытаетесь что-то измерить, все, что вы можете получить, — это квадрат амплитуды волновой функции (для достаточно большого количества идентичных экспериментов). Тем не менее, фаза играет роль в создании суперпозиций состояний и, наконец, в изменении плотности вероятности во времени, в то время как для стационарных состояний плотность вероятности постоянна во времени, как вы уже знаете.

РЕДАКТИРОВАТЬ в ответ на комментарий:

Во-первых, волновая функция не является реальной в том смысле, что$\psi\not\in\mathbb R$. Это сложно , а все непосредственно измеряемые величины должны быть реальными.

Во-вторых, несмотря на то, что в собственном состоянии атом неподвижен, мы можем составить линейные комбинации собственных состояний с одинаковым направлением магнитного момента , так что результатом будет волновой пакет, измеримо вращающийся в определенном направлении.

В качестве более простого примера поступательного движения вместо вращательного рассмотрим плоскую волну. Вот как это выглядит (синяя действительная часть, фиолетовая мнимая, желтый квадрат величины):

Теперь давайте составим волновой пакет Гаусса, как в этой демонстрации . Он будет иметь такое же пиковое состояние, но дополнительно несколько состояний с более высокими и более низкими фазовыми скоростями (с меньшими амплитудами). Вот его волновая функция (синяя действительная часть, фиолетовая мнимая):

Теперь этот пакет имеет измеримое движение. Вот его квадрат величины, который является плотностью вероятности по правилу Борна :

Вы видите, что для собственного состояния частицы, которая является плоской волной, вы не можете измерить ее движение. Но OTOH — это предел бесконечно делокализованного волнового пакета, а для локализованного волнового пакета можно измерить его движение (в вероятностном смысле, конечно).

То же самое и с вращательным движением, просто у него есть еще некоторые технические особенности, которые здесь не важны для понимания.

Хотя стоячая волна действительно является стационарным состоянием, не делайте ошибку, думая, что это означает, что электрон не движется. Как вы говорите, мы знаем, что электрон движется, потому что существует вполне реальный электрический ток и магнитный момент. Итак, электрон движется, а его волновая функция не движется.

Путаница возникает из нашего повседневного опыта, когда инерция и динамика всегда объединяются в один пакет, который мы называем «движением». Но с квантовой механикой мы должны разделить эти идеи. Я имею в виду, что квантовая волна может содержать движение (инерцию), не находясь при этом в движении (динамично).

[Кстати, из двух точек зрения, которые вы отметили, точка зрения облака вероятностей является гораздо более слабой точкой зрения. Я имею в виду, что по волновой функции можно вычислить облако вероятностей, но обратное невозможно.]

Стоячая волна описывает относительное движение электронов и ядер. Сам электрон движется, так как центр масс атома (плоская волна) включает в себя и координаты электрона.