مهروماه

مایکل فارادی، دانشمند مشهور انگلیسی نخستین کسی بود که در اواسط قرن نوزدهم میلادی به تاثیر میدان مغناطیسی روی پرتو های نوری که از یک محیط مادی عبور می کنند پی برد. تحقیقات فارادی در مورد تاثیر میدان مغناطیسی بر ذرات ماده و نور گسیل شده از آن ها توسط سایر فیزیک دانان ها همچنان ادامه یافت تا اینکه تقریبا پنجاه سال پس از او یک فیزیک دان هلندی به نام پیتر زیمان با آزمایش هایی که در دانشگاه لایدن انجام داد با پدیده جالب و عجیبی در این مورد مواجه شد.

زیمان به کمک آزمایش های طیف نگاری و بررسی طیف نوری گسیل شده از اتم ها به واسطه حضور در میدان مغناطیسی به چند خط طیفی متفاوت شکافته می شوند. اما علت این شکافتگی طیفی چه بود؟ مساله تبیین اثر زیمان و چند مساله حل نشده دیگر در فیزیک اتمی سبب شد که دو فیزیکدان هلندی به نام ساموئل گودسمیت و ژرژاولن بک در سال 1925 (1304) 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 می چرخند و بنابراین یک تکانه زاویه ی ذاتی – موسوم به اسپین – دارد. اما با توجه به اینکه 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 سبب می شود انرژی الکترون ها در حضور میدان مغناطیسی تغییر کرده و در نتیجه تراز های انرژی اتم نیز تغییر می کنند و همین مساله منجر به تغییر طیف اتم ها در حضور میدان مغناطیسی می شود. اما گودسمیت و اولن بک به نکته مهم دیگری هم در مورد اسپین الکترون پی بردند. آنها دریافتند که بردار اسپین الکترون ها برخلاف ذرات کلاسیک نمی تواند در هر امتداد دلخواهی قرار گیرد بلکه آنها همانند فرفره های اسرار آمیزی هستند که محور چرخش آنها تنها می تواند در امتداد های خاصی در فضا قرار بگیرد. بدین ترتیب مشخص شد که اسپین الکترون ها هم مثل بسیاری دیگر از پدیده ها، کمیتی کوانتومی و ناپیوسته است.

کشف اسپین کواتومی الکترون ها به خوبی توانست نتایج مرموز آزمایش دیگری را نیز که چند سال پیش تر توسط دو فیزیک دان آلمانی به نام های اتو اشترن و والتر گرلاخ در دانشگاه فرانکفورت صورت گرفته بود توضیح دهد. این فیزیکدان در آزمایش خود (که به آزمایش اشترن- گرلاخ شهرت یافت) باریکه ای از اتم های نقره را از یک میدان مغناطیسی غیر همگن عبور دادند. انتظار این بود که اتم ها به واسطه گشتاور مغناطیسی خود که جهت های تصادفی مختلفی داشتند، پس از عبور از میدان مغناطیسی به طور تصادفی منحرف شده و در نتیجه با توزیع یکنواختی به آشکار ساز مقابل خود برخورد کنند؛ اما در کمال شگفتی اتم ها یا فقط به مقدار مشخصی به سوی بالا منحرف می شدند یا به سوی پایین! پش از کشف ویژگی کوانتومی اسپین الکترون ها مشخص شد از آنجایی که اتم های نقره یک الکترون منفرد در لایه آخر اتمی خود دارند و با توجه به کوانتومی بودن اسپین الکترون- که تنها می تواند در دو امتداد مختلف به میدان مغناطیسی قرار گیرد- بنابراین اتم های نقره پس از عبور از میدان مغناطیسی غیر همگن فقط یا مقداری به بالا منحرف می شوند یا به پایین و حالت بینابینی مابین این دو وجود ندارد. بعد ها با کشف ذرات زیر اتمی دیگر نظیر پروتون، نوترون، میون و ... مشخص شد که ویژگی کوانتومی اسپین منحصر به الکترون ها نیست و تمامی ذرات زیر اتمی اسپین کوانتومی دارند. با پیشرفت فیزیک کوانتومی طی دهه های بعد فیزیک دان ها توانستند با استفاده از این ویژگی کوانتومی ذرات، فناوری های بدیعی نظیر آنالیز مواد با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) تصویر برداری MRI و اسپین ترونیک را توسعه دهند.