在太阳系中,地球绕太阳公转的同时,地球本身也在不断自转。那么在原子内部,电子绕原子核运动,也貌似如此?事实是否定的,原子的行星模型并不准确。电子在原子核外运动主要用电子云的方式来描述,即在空间上存在的概率分布,只不过概率较大的分布就像一条“轨道”而已。那么,电子存在自转吗?如果电子存在自转,那么因为电子带电荷,它必然会形成一个磁矩。实验上确实证明了这一点,但结果却是电子磁矩只有两种方式出现,朝上或朝下,并不是随意的。后来把这个电子内部已有的磁矩叫做电子的自旋,这个名字有点混淆概念,自旋并不等于电子自转。根据实验测量到的自旋磁矩大小,可以推测,如果电子是因为自转造成的自旋,那么以电子那么小的直径,它边缘需要光速,显然是不合理的。所以,与其说电子自旋是自转来的,那不如说电子自旋其实就是电子本身具有一个特定的磁矩,就像电子具有电荷和质量一样,自旋也是描述电子的一个量子数。
那么原子内部的质子和中子,也有自旋吗?答案是对的,它们都存在自旋,而且它们都具有磁矩。关于自旋,我们还要认识到一点是,自旋分整数和半整数,即自旋可以是1/2, 3/2,5/2,也可以是0, 1, 2等等。电子,质子,中子的自旋都是1/2,换句话说,它们的自旋都只有两种状态,+1/2和-1/2,即所谓朝上和朝下。也就是说他们都具有特定的磁矩,其中中子没有电荷。同理,这也不能说明质子和中子就存在自转。
对于整个原子而言,它的磁矩来自于几个部分,原子核里面质子和中子会形成核自旋,原子核外电子集体会有电子自旋叠加,还有电子运动的轨道磁矩,其中核自旋相对电子自旋来说弱,几乎可以忽略不计,电子轨道磁矩相对电子自旋磁矩也弱不少,如果自旋与轨道耦合不强的话,也可以忽略。所以原子的磁矩就可以简单用电子自旋叠加来得到,比如两个电子自旋+1/2 -1/2叠加就可以得到自旋为零的原子。同理,也会有自旋为其他整数或半整数的原子,其中一些磁性原子如Mn、Cr、Co、Ni、Ce等的自旋就是半整数,磁矩比较大。如果原子的自旋不为零,是否说明原子在自转呢?当然不是!这个问题和电子自旋不等于电子自转一样道理。此外,从原子结构模型也可以很简单理解。原子核占据原子的绝大部分质量且极小部分体积,那么原子绝大部分是“空荡荡”的,外面是电子云的天下,这种情况下,原子本身就不能简单用一个实心球体来理解,也就完全没需要形成有固定的旋转轴。但是,因为原子磁矩的存在,它的角动量(描述自转的物理量)并不等于零,所以,从经典的角度来看,也可以等效原子在“自转”。