在
物理学和
化学中,朗德g因子是阿尔佛雷德·朗德试图解释
反常塞曼效应时,于 1921 年提出的一个无量纲物理量,反映了塞曼效应中磁矩与角动量之间的联系。其定义后来被推广到其它领域,在粒子物理学中常常被简称为g因子。
在
物理学和
化学中,朗德g因子是阿尔佛雷德·朗德试图解释
反常塞曼效应时,于1921年提出的一个无量纲物理量,反映了塞曼效应中磁矩与角动量之间的联系。其定义后来被推广到其它领域,在粒子物理学中常常被简称为g因子。
令,为耦合后的总角动量,则可以证明,在上述形式的相互作用能下,Lħ与Sħ将绕矢量Jħ
进动。
在外加磁场的作用下,带电粒子的角动量会绕外加磁场的方向进动。在这种情况下,是Jħ进行进动。朗德采用了一种简化处理的方法,即认为外磁场中的原子的能量仅仅与矢量Lħ与Sħ的长时间
平均值有关,而后者恰好就是它们在Jħ方向上的投影,即
随后,朗德进一步假定,角动量Lħ贡献的
磁能由经典的公式给出,并假定Jħ是量子化的,其沿着磁场方向的分量由磁量子数M确定,即
式中μ是
磁矩,而μB为
玻尔磁子。类似地,朗德写出了角动量Sħ带来的能量贡献,但他发现为了与实验结果相一致,需要加上额外的因子2。当时朗德并不清楚为什么,现在我们知道这就是电子的自旋g因子。即:
但是,朗德发现,为了与实验结果相符,这一表达式需要修改为下式,当时朗德并不清楚原因。现在来看,只要将上面的角动量矢量都作为
算符来处理,然后将对应的角动量平方算符用其
本征值取代,得出这个结果是很自然的。
(2)若再额外考虑狭义相对论时间展长效应下的
汤玛斯进动修正(1927年),gs变为2,方合乎当代实验观测值。
(3)在
相对论量子力学,也就是指
保罗·狄拉克所提出的理论(1928年),gs恰恰为2;并不如前者采外加修正的方法,是具有一致性的理论可导出的自然结果。
(4)在
量子电动力学(QED)中,因为电子与
真空能量的电磁涨落相互作用,可表为单环费因曼图,提出QED的朱利安·施温格等人(1947年)所得的gs理论值为;α目前被视为是自然常数之一,其值约为。
(5)威利斯·兰姆等人实验观测到的
兰姆位移效应,所得gs观测值为2.0023193043768(86),与理论相符精准度达小数点下第9位,展现出
量子电动力学等现代物理理论所能达到的惊人精准预测程度。