Джордж Юджин Уленбек: биография

Наукова діяльність

Відкриття спина електрона

У жовтні 1925 року Уленбек спільно з Семом Гаудсмитом ввів у фізику концепцію спина: на основі аналізу спектроскопічних даних вони запропонували розглядати електрон як «обертається дзига», що володіє власним механічним моментом, рівним, і власним магнітним моментом, рівним магнетону Бора. Схожі ідеї приходили в голову багатьом фізикам, проте не були сформульовані з достатньою виразністю. Так, ще в 1921 році Артур Комптон, намагаючись пояснити магнітні властивості речовини, висловив думку про електрон, що обертається «подібно мініатюрному гіроскопа». Пізніше Вольфганг Паулі в знаменитій праці, присвяченій принципу заборони, був змушений приписати електрону «двозначність, не описувану класично». На початку 1925 року Ральф Кроніга припустив, що цю двозначність можна пояснити обертанням електрона навколо осі, проте незабаром він зіткнувся з серйозними труднощами (згідно з розрахунками, швидкість на поверхні електрона повинна перевищувати швидкість світла). Крім того, ця гіпотеза зустріла негативну реакцію з боку Паулі, Хендріка Крамерса і Вернера Гейзенберга, і Кроніга вирішив не публікувати її.

Мабуть, ця двозначність (четвертий ступінь свободи, або квантове число, електрона) була також вихідним пунктом роботи Уленбека і Гаудсмитом, і вони також вирішили пов'язати її з обертанням електрона навколо своєї осі. Вони вивчили старі роботи Макса Абрагама, присвячені обертанню зарядженої сфери, але незабаром столнулісь з тими ж труднощами, що і Кроніга. Тим не менш, вони повідомили про свою гіпотезу Еренфеста, якому вона сподобалася. Він запропонував своїм учням написати невелику замітку для журналуDie Naturwissenschaftenі показати її Хендріку Лоренцу. Лоренц здійснив низку обчислень електромагнітних властивостей обертового електрона і продемонстрував безглуздість висновків, до яких приводить ця гіпотеза. Уленбек і Гаудсмит порахували за краще не публікувати свою статтю, проте було пізно: Еренфест вже відіслав її до друку. З цього приводу він відмітив:

n

n

Ви обоє досить молоді, щоб дозволити собі зробити одну дурість!

n

n

Оригінальний текст(нім.)

n

n

Sie sind beide jung genug um sich eine Dummheit leisten zu konnen!

n

n

n

n

Поява статті Уленбека і Гаудсмитом породило бурхливе обговорення гіпотези спина в наукових колах. Крім зазначених труднощів, до яких призводило уявлення про обертання електрона, залишалася невирішеною проблема зайвої множника 2, що з'являвся у виразі для надтонкої структури водневого спектра. Тому спочатку ставлення до спину було досить скептичним. Вирішальною виявилася позиція Нільса Бора, який з натхненням сприйняв появу цієї гіпотези, що відкривала нові можливості для опису атома. Бор запропонував Уленбека і Гаудсмитом ще раз викласти свої доводи в статті для журналуNatureі супроводжував її своїми зауваженнями. Остаточно правильність ідеї про спині стала ясна навесні 1926 року, коли розрахунки спін-орбітальної взаємодії, проведені Ллевелліна Томасом і Яковом Френкелем з урахуванням релятивістських ефектів (так звана томасівському прецесія), дозволили пояснити тонку структуру спектрів (в тому числі позбутися від зайвого множника) і аномальний ефект Зеемана.