В

Открытие спина электрона

первые предположение о существовании у электрона собственного механического момента возникло при анализе результатов экспериментов по наблюдению магнитомеханических и механомагнитных явлений. Суть этих явлений заключалась в следующем. Электрон, совершающий в атоме круговое движение, обладает орбитальным механическим моментом и магнитным моментом , связанными посредством гиромагнитного отношения: . Если поместить магнетик во внешнее магнитное поле, произойдет установление магнитных моментов электронных орбит по полю и, соответственно, орбитальных механических моментов электронов – против поля. У магнетика возникнет суммарный механический момент, равный векторной сумме орбитальных механических моментов электронов . При этом, согласно закону сохранения момента импульса, весь магнетик должен прийти во вращение с моментом импульса, равным . Возникновение вращения при намагничивании получило название магнитомеханического явления. Магнитомеханическое явление впервые наблюдалось в эксперименте Эйнштейном совместно с голландским физиком де Гаазом в 1915 году. В этих опытах железный цилиндр, подвешенный на тонкой нити, помещался внутрь соленоида. При намагничивании цилиндра магнитным полем соленоида он поворачивался. Для усиления наблюдаемого эффекта Эйнштейн и де Гааз использовали явление механического резонанса: подбирали частоту крутильных колебаний цилиндра равной частоте переменного тока через соленоид.

В том же году американский физик Барнетт наблюдал механомагнитное явление, т.е. намагничивание ферромагнетика при его вращении вокруг некоторой оси в отсутствие магнитного поля, обусловленное гироскопическим эффектом (установлением механических орбитальных моментов электронов в атомах по направлению оси вращения).

Как магнитомеханическое, так и механомагнитное явления зависят от величины гиромагнитного отношения. Поэтому по данным опытов можно было определить гиромагнитное отношение и сравнить его с теоретически ожидаемым для электронной орбиты. Полученное Барнеттом и Эйнштейном с де Гаазом экспериментальное значение гиромагнитного отношения в два раза превышало теоретически ожидаемое значение . Аномальное значение гиромагнитного отношения привело к заключению, что внутри атома помимо орбитального движения электрона имеется и другой тип движения, приводящий к возникновению механического и магнитного моментов. Поэтому было выдвинуто предположение о том, что самому по себе электрону присущи и механический и магнитный моменты, причем их отношение для электрона равно .

В 1925 году немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули, изучая мультиплетный характер спектров щелочных металлов, а также аномальный эффект Зеемана, высказал мысль, что их можно объяснить, если приписать электрону некоторую «двузначность». Паули пришел к выводу, что электрон, движущийся по орбите, отвечающей квантовым числам n, l, , может находиться в двух различных состояниях, а поэтому для полной характеристики состояния электрона необходимо ввести дополнительное магнитное квантовое число m₂ .

Что могла означать эта «двузначность», Паули не обсуждал. Но в том же году голландский физик Ральф Крониг, основываясь на идее Паули, предположил, что «двузначность» есть результат того, что самому электрону нужно приписать момент импульса , проекция которого на физически выделенное направление может принимать два значения , и соответствующий магнитный момент. Поначалу идея Кронига не встретила понимания у Паули, равно как и у других физиков. Однако в том же 1925 году независимо от Кронига голландские физики Уленбек и Гаудсмит высказали аналогичное предположение о существовании у электрона собственного момента импульса, обусловленного его вращением вокруг своей оси. После консультации с Лоренцем Уленбек выяснил, что экваториальная линейная скорость вращения электрона (мыслимого как твердый шарик), обеспечивающая требуемую гипотезой величину момента, должна превышать скорость света. Стало очевидным, что представление о вращающемся электроне несостоятельно. Тем не менее, с 1925 года понятие о спине электрона прочно вошло в атомную физику.