СПИН ЕЛЕКТРОНА
Більш ретельне дослідження структури окремих спектральних ліній незабаром показало, що вони розщеплюються більш складним чином, і це явище отримало назву аномального ефекту Зеемана. Зокрема, іноді спостерігалося подвоєння числа розщеплених спектральних ліній, пов'язаних з -кратноє виродженням енергетичних рівнів. Це явище виглядало досить дивним, так як з нього випливало, що має існувати ще одне квантове число (що незабаром і було припущено), яке може приймати тільки два значення. Однак природа цього квантового числа була
абсолютно неясною. Походження інших чисел було вже з'ясовано. Вважалося, що стан системи повністю визначено, якщо задані три числа: в разі електрона, укладеного в кубічному посудині, і в разі атома водню. Спостережуване подвоєння ліній вказувало на те, що, крім квантових чисел (що відповідають значенням імпульсу в трьох просторових напрямках) або має існувати ще одне квантове число, що набуває лише два значення. Звідки ж береться це число?
Кажуть, одного разу Вольфганг Паулі, який був дуже заінтригований цією проблемою і безперервно над нею розмірковував, був зупинений на вулиці Копенгагена, де подібні речі трапляються, літньою жінкою, яку вразило сумний вираз його обличчя. Коли вона запитала Паулі про причини його горя, він тільки похитав головою, знизав плечима і промимрив: «Мадам, я не можу зрозуміти аномальний ефект Зеемана».
Зрештою це явище було пояснено Гаудсмитом і Уленбеком, які висунули одну з найважливіших гіпотез в ті роки. Вони припустили, що електрон має, крім заряду і маси, ще однією властивістю, яке вони назвали спіном. У кожного електрона, на їхню думку, є спін, або власний кутовий момент, подібно до того як, наприклад, у Землі, крім кутового моменту, пов'язаного з її рухом по орбіті навколо Сонця, є кутовий момент, обумовлений її обертанням навколо власної осі. Однак походження власного кутового моменту Землі пояснюється обертанням речовини, розподіленого всередині сфери. У разі ж електрона походження його власного кутового моменту пояснити зовсім не так просто. Паулі, наприклад, вважав, що введення ідеї спина обумовлено просто атавістичної асоціацією класичного поняття з чисто квантовим об'єктом.
Якщо все-таки погодитися з тим, що кожен електрон має спіном, якому відповідав би внутрішнє азимутальное число
(Квантове число, відповідне внутрішньому, або спиновому, кутовому моменту, може приймати напівцілий значення на відміну від числа, відповідного зовнішньому моменту), то число проекцій спина на виділений напрям в просторі дорівнює двом:
що пояснює необхідну подвоєння спектральних ліній (фіг. 161). Далі, якщо зі спіном зв'язати магнітний момент (можна представляти магніт, утворений струмом, який виникає при
гіпотетичному обертанні електрона),
то при включенні магнітного поля рівні енергії, що відповідають двом напрямкам спина, розійдуться на величину
Хоча і важко було пояснити походження спина електрона і минув певний час, перш ніж вдалося узгодити це внутрішня властивість з іншими відомими раніше, незабаром стало ясно, що висунуте Гаудсмитом і Уленбеком припущення дуже добре пояснює спостережувану структуру спектральних ліній.
Фіг. 161. Спіновий кутовий момент має дві проекції в заданому просторовому напрямку; відповідні компоненти кутового моменту рівні
Оскільки під час відсутності зовнішнього магнітного поля енергія системи не залежить від напрямку спина, ми маємо подвоєння рівнів (два вироджених рівня), пов'язане з власним властивістю, спіном і з зовнішньої симетрією - симетрією щодо поворотів навколо центру.
І, як ми незабаром побачимо, подвоєння рівнів, пов'язане зі спіном електрона, відіграє основну роль при побудові періодичної системи елементів,