اسپین الکترون چیست و چگونه کشف شد؟

مایکل فارادی، دانشمند مشهور انگلیسی نخستین کسی بود که در اواسط قرن نوزدهم میلادی به تأثیر میدان مغناطیسی روی پرتوهای نوری که از یک محیط مادی عبور می‌کنند پی برد. تحقیقات فارادی در مورد تاثیر میدان مغناطیسی بر ذرات ماده و نور گسیل شده از آن‌ها توسط سایر فیزیکدان‌ها همچنان ادامه یافت تا اینکه تقریبا پنجاه سال پس از او یک فیزیکدان هلندی به نام پیتر زیمان با آزمایش‌هایی که در دانشگاه لایدن انجام داد با پدیده جالب و عجیبی در این مورد مواجه شد.

زیمان به کمک آزمایش‌های طیف نگاری و بررسی طیف نوری گسیل شده از اتمها کشف کرد که خطوط طیفی اتم‌ها به واسطه حضور در میدان مغناطیسی به چند خط طیفی متفاوت شکافته می‌شوند. اما علت این شکافتگی طیفی چه بود؟ مسأله تبیین اثر زیمان و چند مسأله حل نشده دیگر در فیزیک اتمی سبب شد که دو فیزیکدان هلندی به نام‌های ساموئل گودسمیت و ژرژ اولن بک در سال ۱۳۰۴ / ۱۹۲۵ ایده اسپین الکترون را مطرح کنند. بر اساس این ایده، ذره الکترون مانند یک گوی یا فرفره بسیار کوچک با سرعت بسیار زیادی به دور خود می‌چرخد و بنابراین یک تکانه زاویه‌ای ذاتی – موسوم به اسپین – دارد.

اما با توجه به آنکه الکترون یک ذره باردار است؛ بنابراین به واسطه چرخش ذاتی خود یک گشتاور دوقطبی مغناطیسی ذاتی هم خواهد داشت و در واقع وجود همین گشتاور دوقطبی مغناطیسی است که سبب می‌شود انرژی الکترونها در حضور میدان مغناطیسی تغییر کرده و در نتیجه ترازهای انرژی اتم نیز تغییر کنند و همین مسأله منجر به تغییر طیف اتمها در حضور میدان مغناطیسی می‌شود. اما گودسمیت و اولن بک به نکته مهم دیگری هم در مورد اسپین الکترون پی بردند. آن‌ها دریافتند که بردار اسپین الکترونها برخلاف ذرات کلاسیک نمی‌تواند در هر امتداد دلخواهی قرار گیرد بلکه آن‌ها همانند فرفره‌های اسرار آمیزی هستند که محور چرخش آن‌ها تنها می‌تواند در امتدادهای خاصی در فضا قرار گیرد.

بدین ترتیب مشخص شد که اسپین الکترونها هم مثل بسیاری دیگر از پدیده‌ها، کمیتی کوانتومی و ناپیوسته است. کشف اسپین کوانتومی الکترون‌ها به خوبی توانست نتایج مرموز آزمایش دیگری را نیز که چند سال پیش‌تر توسط دو فیزیکدان آلمانی به نام‌های آتو اشترن و والتر گرلاخ در دانشگاه فرانکفورت صورت گرفته بود توضیح دهد. این دو فیزیکدان در آزمایش خود (که به آزمایش اشترن -گرلاخ شهرت یافت) باریکه‌ای از اتم‌های نقره را از یک میدان مغناطیسی غیر همگن عبور دادند.

انتظار این بود که اتم‌ها به واسطه گشتاور مغناطیسی خود که جهت‌های تصادفی مختلفی داشتند، پس از عبور از میدان مغناطیسی به طور تصادفی منحرف شده و درنتیجه با توزیع یکنواختی به آشکارساز مقابل خود برخورد کنند؛ اما در کمال شگفتی اتمها یا فقط به مقدار مشخصی به سوی بالا منحرف می‌شدند یا به سوی پایین!

پس از کشف ویژگی کوانتومی اسپین الکترونها مشخص شد از آنجایی که اتم‌های نقره یک الکترون منفرد در لایه آخراتمی خود دارند و با توجه به کوانتومی بودن اسپین الکترون – که تنها می‌تواند در دو امتداد مختلف نسبت به میدان مغناطیسی قرار گیرد بنابراین اتم‌های نقره پس از عبور از میدان مغناطیسی غیرهمگن فقط یا مقداری به بالا منحرف می‌شوند یا به پایین و حالت بینابینی مابین این دو وجود ندارد. بعدها با کشف ذرات زیر اتمی دیگر نظیر پروتون، نوترون، میون و… مشخص شد که ویژگی کوانتومی اسپین منحصر به الکترون‌ها نیست و تمامی ذرات زیر اتمی اسپین کوانتومی دارند.

با پیشرفت فیزیک کوانتومی طی دهه‌های بعد فیزیکدانها توانستند با استفاده از این ویژگی کوانتومی ذرات، فناوری‌های بدیعی نظیر آنالیز مواد با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، تصویر برداری MRI و اسپین ترونیک را توسعه دهند.