роду магнитного момента, его квантово-теоретическое происхождение и его связь с
атомистической структурой электричества». Однако впоследствии выяснилось, что
такое понимание результатов опытов Штерна и Герлаха в действительности является
ошибочным, поскольку выводы теории Зоммерфельда о проекциях момента импульса
были неправильными. На это впервые указали Эйнштейн и Эренфест в 1922 г.
Это
служит наглядным примером того, как иногда благодаря случайности
эксперимент может подтверждать неправильные теоретические положения.
Случайным в опытах Штерна и Герлаха был выбор атомов серебра. Если бы они взяли
другое вещество, например, серу, то никакого согласия с теорией Зоммерфельда не
было бы. Наблюдающееся же на опыте расщепление означало, что оно обусловлено не
орбитальным движением электронов, а какими-то другими причинами. При пра-
вильном истолковании своими опытами Штерн и Герлах открыли новую важную
характеристику
электрона - его спин. Однако представление о спине электрона
возникло не сразу.
Для объяснения тонкой структуры спектральных линий Зоммерфельд ввел в
1920 г. третье квантовое число
j, которое он назвал
внутренним квантовым числом.
Зоммерфельд предположил, что полный момент импульса атома является векторной
суммой орбитального момента импульса электрона и момента импульса
атомного
остова (ядра атома).
Однако, как показал выдающийся немецкий физик Вольфганг Паули (1900-
1958),
предположение о том, атомный остов обладает моментом импульса
s,
находится в противоречии с тем, что наблюдается для эффекта Зеемана – иначе
эффект должен был бы зависеть от атомного номера элемента. Паули предположил,
что момент импульса связан с новым квантово-теоретическим свойством электрона,
которое Паули называл
«двузначностью, не описываемой классически». Он
поразительно близко подошел к открытию спина электрона, но так и не сделал
решающего определенного шага в этом направлении.
Паули приписал квантовое
число
s самому оптическому электрону. Таким образом, согласно Паули, состояния
электрона должны характеризоваться четырьмя квантовыми числами: главным
квантовым числом
п, орбитальным квантовым числом
l, внутренним квантовым
числом
j и магнитным квантовым числом
т
j
, принимающим
2j+1 значений от
-j до
+j.
В 1924 г., когда Паули показал несостоятельность общепринятой в то время
теории остова, была опубликована классическая статья
английского физика Стонера
(1899-1968)
«Распределение электронов по атомным уровням». В ней было высказано
следующее существенное замечание: при заданной величине главного квантового
числа число энергетических уровней отдельного электрона в спектрах щелочных
металлов во внешнем магнитном поле равно числу электронов в замкнутой оболочке
инертных газов, соответствующей этому главному квантовому числу
. Это была
общая формулировка принципа запрета.
В 1925 г. молодые в то время голландские физики Джордж Уленбек (1900-1988)
и Сэмюэл Гаудсмит (1902-1979) предложили наглядную модель, которая объясняла
наличие собственного магнитного момента электрона его вращением вокруг
собственной оси. Предполагая, что электрон имеет
форму шара и заряд его
равномерно распределен по поверхности, они нашли, что отношение магнитного
момента вращающегося электрона к его моменту импульса вдвое больше, чем в случае
орбитального движения электрона. Это соответствовало результатам опытов Штерна и
Герлаха. Однако такое наглядное истолкование спина электрона является неверным,
поскольку простой расчет показывает, что в этом случае скорость частей электрона на
его экваторе значительно превышает скорость света. Паули, вероятно, знал этот
недостаток модели.
Надо сказать, что идея о собственном вращении электрона была, в общем, не
нова. Еще в 1921 г. Артур Комптон осторожно высказывался о
возможности собст-
венного вращения электрона, которое он, однако, не связал с особенностями эффекта
Зеемана, и эта идея осталась незамеченной. Школа Бора объясняла всю совокупность
явлений, связанных с тонкой структурой спектров и расщеплением спектральных
линий в магнитном поле, с помощью гипотезы о некотором
«немеханическом
натяжении», приводящем к раздвоению термов.
Паули в 1925 г. приписал самому электрону четвертое квантовое число, но не
указал смысла этой характеристики в модели атома. Уленбек и Гаудсмит сопоставили
четырем квантовым числам четыре степени свободы электрона и выдвинули идею о
внутреннем моменте количестве движения и магнитном моменте,
равным одному
магнетону Бора. Однако они не раскрыли связи магнетона Бора с орбитальным
движением. Лишь после того, как с помощью идей Эйнштейна они вывели формулу
для дублетного расщепления с множителем 2 и применили ее к атому водорода, Бор, а
за ним и другие, признали гипотезу о спине электрона.
В 1927 г. Паули включил спин электрона в формальный аппарат
нерелятивистской квантовой механики. Учет спина электрона проводится в
последовательной квантово-релятивистской теории, созданной Дираком в 1928 г.