§ 225.  Спин электрона. Спиновое квантовое число

О. Штерн и В. Герлах, проводя прямые измерения магнитных моментов (см. § 131), обнаружили в 1922 г., что уз­кий пучок атомов водорода, заведомо на­ходящихся в s-состоянии, в неоднородном магнитном поле расщепляется на два пуч­ка. В этом состоянии момент импульса электрона равен нулю (см. (223.4)). Маг­нитный момент атома, связанный с орби­тальным движением электрона, пропорци­онален механическому моменту (см. (131.3)), поэтому он равен нулю и магнитное поле не должно оказывать влияния на движение атомов водорода в основном состоянии, т. е. расщепления быть не должно. Однако в дальнейшем при применении спектральных приборов с большой разрешающей способностью было доказано, что спектральные линии атома водорода обнаруживают тонкую структуру (являются дублетами) даже в отсутствие магнитного поля.

Для объяснения тонкой структуры спектральных линий, а также ряда других трудностей в атомной физике американ­ские физики Д. Уленбек (1900—1974) и С. Гаудсмит (1902—1979) предположи­ли, что электрон обладает собственным неуничтожимым механическим моментом

импульса, не связанным с движением электрона в пространстве,— спином (см. § 131).

Спин электрона (и всех других микро­частиц) — квантовая величина, у нее нет классического аналога; это внутреннее не­отъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе.

Если электрону приписывается со­бственный механический момент импульса (спин) l_s, то ему соответствует собствен­ный магнитный момент p_ms. Согласно общим выводам квантовой механики, спин квантуется по закону

L_s=hÖ(s(s+1)),

где s — спиновое квантовое число.

По аналогии с орбитальным моментом импульса, проекция L_sz спина квантуется так, что вектор L_s может принимать 2s+1 ориентации. Так как в опытах Штерна и Герлаха наблюдались только две ори­ентации, то 2s+1=2, откуда s=¹/₂. Про­екция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантованной величиной, определяется выражением, аналогичным (223.6):

L_sz=hm_s,

где   m_s — магнитное   спиновое   квантовое

число; оно может иметь только два значе­ния: m_s= ±¹/₂.

Таким образом, опытные данные при­вели к необходимости характеризовать электроны (и микрочастицы вообще) до­бавочной внутренней степенью свободы. Поэтому для полного описания состояния электрона в атоме необходимо наряду с главным, орбитальным и магнитным квантовыми числами задавать еще маг­нитное спиновое квантовое число.