تاریخچه‌ی کشف اسپین الکترون‌ها

مایکل فارادی دانشمند مشهور انگلیسی، نخستین کسی بود که در اواسط قرن نوزدهم میلادی به تاثیر میدان مغناطیسی بر روی پرتو‌های نوری که از یک محیط مادی عبور می‌کنند پی‌برد. تحقیقات فارادی در مورد تاثیر میدان مغناطیسی بر ذرات ماده و نور گسیل شده از آن‌ها توسط سایر فیزیکدانان همچنان ادامه یافت تا اینکه تقریبا پنجاه سال پس از او یک فیزیکدان هلندی به نام پیتر زیمان با آزمایش‌هایی که در دانشگاه لِیدن انجام داد با پدیده جالب و عجیبی در این مورد مواجه شد. زیمان به کمک آزمایش‌های طیف‌نگاری و بررسی طیف نوری گسیل شده از اتم‌ها کشف کرد که خطوط طیفی اتم‌ها به دلیل حضور در میدان مغناطیسی به چند خط طیفی متفاوت شکافته می‌شود.اما علت این شکافتگی طیفی چه بود؟ مسئله تبیین اثر زیمان و چند مسئله‌ حل نشده دیگر در فیزیک اتمی سبب شد که دو فیزیکدان هلندی به نام‌های ساموئل خوئوتسمیت و خئورخه اولنبِک در سال ۱۹۲۵ مفهوم اسپین الکترون را مطرح کنند. بر است این مفهوم، ذره الکترون همانند 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 دو قطبی مغناطیسی ذاتی هم خواهد داشت و در واقع، وجود همین گشتاور دو قطبی مغناطیسی است که باعث می‌شود انرژی للکترون‌ها در حضور میدان مغناطیسی تغییر کند و در نتیجه تراز‌های انرژی اتم نیز دستخوش تغییر شود و همین مسئله منجر به تغییر طیف اتم‌ها در حضور میدان مغناطیسی می‌شود.اسپین الکتروناما خوئوتسمیت و اولنبک به نکته مهم دیگری هم در مورد اسپین الکترون پی‌بردند. آن‌ها دریافتند که بردار اسپین الکترون‌ها، برخلاف ذرات کلاسیک، نمی‌تواند در هر امتداد دلخواهی قرار گیرد، بلکه آن‌ها همانند فرفره‌های اسرار‌آمیزی هستند که محور چرخش‌شان فقط می‌تواند در امتداد‌های خاصی در فضا قرار گیرد. بدین ترتیب مشخص شد که اسپین الکترون‌ها هم مثل بسیاری از پدیده‌های دیگر، کمیتی کوانتومی و ناپیوسته است.کشف اسپین کوانتومی الکترون‌ها به خوبی توانست نتایج مرموز آزمایش دیگری را نیز که چند سال پیش توسط دو فیزیکدان آلمانی به نام‌های اُتو اشترن و والتر گرلاخ در دانشگاه فرانکفروت صورت گرفته بود، توضیح دهد. این دو فیزیکدان در آزمایش خود، که به آزمایش اشترن_گرلاخ شهدا یافت، باریکه‌ای از اتم‌های نقره را از یک میدان مغناطیسی نا‌همگن 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 شوند و در نتیجه با توزیع یکنواختی به آشکار‌ساز مقابل خود برخورد کنند، اما در کمال شگفتی، اتم‌ها یا فقط به مقدار مشخصی به بالا منحرف می‌شدند و یا به سوی پایین! پس از کشف ویژگی کوانتومی اسپین الکترون‌ها، مشخص شد که چون اتم‌های نقره یک الکترون منفرد در لایه آخر اتمی خود دارند و با توجه به کوانتومی بودن اسپین الکترون، که فقط می‌تواند در دو امتداد مختلف ( بالا و پایین ) نسبت به میدان مغناطیسی قرار گیرد، اتم‌های نقره پس از عبور از میدان مغناطیسی ناهمگن فقط یا به بالا منحرف می‌شدند یا به پایین، و حالت بینابینی وجود نداشت.بعد‌ها با کشف ذرات زیر‌اتمی دیگری نظیر پروتون، نوترون، میون و از این قبیل، مشخص شد که ویژگی کوانتومی اسپین فقط منحصر به الکترون‌ها نیست و تمامی ذرات زیر‌اتمی ( به جزء بوزون هیگز ) دارای اسپین کوانتومی هستند. با پیشرفت فیزیک کوانتوم طی دهه‌های بعد، فیزیکدانان توانستند با استفاده از این ویژگی کوانتومی ذرات، فناوری‌های بدیعی نظیر تجزیه و تحلیل مواد با استفاده از تشدید مغناطیسی ( NMR ) و همچنین تصویر‌برداری MRI را توسعه دهند.