Открытие спина электрона

Открытие спина электрона связано с работой Джорджа Уленбека и Сэмюэла Гаудсмита, двух молодых студентов Лейденского университета. Летом 1925 года эти два студента по указанию Пауля Эренфеста (1880-1933) подробно изучали исследования эффекта Зеемана, осуществленные несколькими месяцами ранее Ланде, и, в частности, две работы Паули, в которых он вводил четвертое квантовое число и принцип запрета. Несмотря на юный возраст, Гаудсмит был хорошо знаком со спектрами эффекта Зеемана.

Уленбек, напротив, имел более серьезную теоретическую подготовку, однако был очень поверхностно знаком с исследуемой проблемой. Сам Гаудсмит сказал об Уленбеке: «Он едва знал предмет, поэтому постоянно задавал вопросы, которых я не задавал никогда». Уленбек остался под большим впечат­лением от теории Паули и его объяснения эффекта Зеемана, но в то же время он был убежден, что теорию необходимо завер­шить, определив физический смысл четвертого квантового чис­ла электрона. Уленбек утверждал:

«Я был впечатлен, но поскольку все было исключительно фор­мально, мне это казалось абракадаброй. Не было ни одного об­раза, который связывал бы, по крайней мере качественно, форма­лизм Паули со старой атомной моделью Бора».

Именно тогда Уленбеку пришла в голову идея связать чет­вертое квантовое число, введенное Паули, с угловым моментом электрона, значение которого было равно ^/г и который в присутствии магнитного поля мог принимать только два направле­ния. Уленбек позже вспоминал:

«Тогда мне пришло в голову, учитывая, что (как мы учили) каж­дое квантовое число соответствует уровню свободы электрона, что четвертое квантовое число Паули должно быть прямо свя­зано с дополнительным уровнем свободы. […] Другими словами, электрон должен вращаться».

spin2

Следующим шагом было дать объяснение значению гиро­магнитного отношения электрона (знаменитый множитель Ланде): g = 2. Эренфест показал своим студентам старую рабо­ту Макса Абрагама (1875-1922), в которой тот доказывал, что из описания электрона в виде сферической твердой системы с зарядом, равномерно распространенным по поверхности, сле­дует значение гиромагнитного фактора, равное 2. Этот резуль­тат позволял вычислить физическое значение (соответствую­щее) g-фактора, что привело в эйфорию Уленбека и Гаудсмита, которые были убеждены в важности своего открытия. В то же время, однако, они не могли понять, почему их идеи до сих пор не пришли в голову уважаемым исследователям в области кван­товой теории. Возможно, их гипотеза на самом деле содержит какую-то бессмыслицу? Уленбек и Гаудсмит рассказали о соб­ственной догадке Эренфесту, но решили не публиковать полу­ченные результаты. Эренфест спросил совета у Лоренца, и тот, используя классическую теорию электрона, показал, каким образом представление Уленбека и Гаудсмита о вращательном движении и поверхностном распространении заряда вело к глу­бокому противоречию. С одной стороны, скорость вращения поверхности электрона гораздо больше скорости света, с другой стороны, магнитная энергия, приписываемая электрону, пред­полагает такой огромный размер этого электрона, что подобное предположение не имеет смысла. Уленбек и Гаудсмит оконча­тельно решили не публиковать свои идеи и сообщили об этом Эренфесту. Много лет спустя Уленбек вспоминал об ответе профессора: «Я уже отправил вашу работу в печать несколько недель назад, и она выйдет в журнале на следующей неделе. Вы еще молоды и можете позволить себе некоторые глупости».

Работа Гаудсмита и Уленбека вышла в журнале Naturwissenschaften («Естественные науки») 20 ноября 1925 года. Всего на одной странице излагалась идея углового момента электрона, связанного с четвертым квантовым числом, введенным Паули, классическим изображением которого была маленькая заряженная сфера, вращавшаяся вокруг собствен­ной оси.

spin3

Как видно, понятие спина электрона роди­лось из странной смеси классиче­ского представления и правил кван­товой теории. В этом смысле работа Уленбека и Гаудсмита, последовав­шая за положившей начало кванто­вой механике работой Гейзенберга, прошла все этапы старой квантовой теории Бора — Зоммерфельда. Спустя короткое время после публикации статьи Гаудсмит получил письмо от Гейзенберга, в котором тот поздравлял его со смелой работой и спрашивал, как они решили знаменитую проблему фактора 2 в структуре атома водорода. Уленбек и Гаудсмит вынуждены были при­знать, что об этой проблеме они даже не вспомнили, а когда задумались после письма Гейзенберга о ней, то не смогли найти никакого ответа. Решение этой проблемы появилось в следую­щем, 1926 году, когда молодой английский физик из Кембрид­жа Люэлин Хиллет Томас (1903-1992) смог объяснить этот фактор, используя теорию относительности и внимательно ана­лизируя преобразования между системами отсчета электрона и атомного ядра.


Один комментарий для “Открытие спина электрона”

  1. Благодарю за полезную информацию
    предоставленную Вами.
    Помогите найти «виновника» придавшего
    электрону и друим частицам
    такой высокой спиновой скорости > с.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.