光的角动量

钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼

编者按

阿瑟·康普顿在研究电子对光的散射时发现这个过程可以用量子力学中保持能量和动量守恒的碰撞理论来解释。就像拉曼在这里指出的那样，分子对光的散射更加复杂，因为光子可以激发分子内部的自由度，如旋转或者振动。如果一个光子的内禀角动量只能取某些不连续的值，那么这就解释了为什么普遍认可的“选择定则”能够支配分子角动量在光散射过程中可能出现的变化。最近在加尔各答的实验证明：分子角动量的任何变化都将伴随着光子圆偏振的反转。ft　　英文

康普顿关于X射线散射的研究使人们普遍地接受了以下观点，即物质粒子对辐射的散射是一种维持能量和线性动量守恒的幺正过程。然而，一个分子的结构比一个电子的结构要复杂得多，而守恒定理本身使我们在预测光散射的结果时会出现错误。这是因为一个分子通常具有三个转动自由度、几个振动自由度（数量与它的复杂程度有关）以及多种电子激发的可能模式，每一种模式都可能对应于一个或另一个来自扩展系列的量子数。如果我们局限于认为分子占据量子能量的一部分，那么根据守恒原理，散射光的谱就应该包含数量巨大的新线。ft　　英文

实际上我们所观察到的多原子分子散射光的谱非常简单，要比它们的吸收谱和发射谱简单很多。显然，康普顿原理不能预言观察到的光散射现象，它们只能用于解释由实验得到的结果。上述意见对于修正最近一些刊物中出现的相反看法是很有必要的。ft　　英文

我们可以拓展康普顿原理，并把角动量加入到我们认为在光量子与分子发生碰撞时应该保持守恒的量当中。在液体和固体中，物质粒子之间的相互影响相当可观，因而对散射结果的解释会带有某种不确定性。巴加万塔姆最近在加尔各答成功地测量了光被气体散射时的偏振性和强度，该成果为这项课题的研究开辟了新的可能性。ft　　英文

在对这一假设进行推导时，我们可以根据狄拉克的理论假定一个光子的角动量为±h/2π，中间值的存在是不允许的。这个假定能使我们很简单地解释为什么双原子分子在光散射中转动量子数的改变要遵循选择定则∆m = 0或±2，这样选择定则的出现就成为了一个自然而然的结果。此外我们还发现[1]：当光子向前散射时，分子转动量子数的变化应伴随着光子圆偏振符号的反向。巴尔和巴加万塔姆用伴随在液体中散射的原来汞线的旋转两翼观测到了这一反向现象，巴加万塔姆用氢气得到的数据也可以用来证明同样的结论。ft　　英文

值得注意的是，后一个结果也可以在旋转的各向异性并具有圆偏振散射线的粒子的情况下由光的经典电磁理论推导出来。显然观测到的现象也可以作为辐射具有相关角动量的实验证据，而每个量子所具有的角动量大小为±h/2π。ft　　英文

（沈乃澂　翻译；张泽渤　审稿）