Was ist der Beweis (experimentelle Beobachtung), dass Elementarteilchen einen Spindrehimpuls haben?

Es ist vielleicht am besten, dies aus der klassischen Perspektive zu beginnen. Im klassischen Elektromagnetismus erzeugt ein sich drehendes, elektrisch geladenes Objekt ein Magnetfeld aufgrund der Tatsache, dass das Drehen des geladenen Objekts eine Ladung in Bewegung ist und daher technisch gesehen ein elektrischer Strom ist (auch wenn es vielleicht nicht das ist, was man unter einem elektrischen Strom versteht wo Ladungen innerhalb des Materials in Bezug auf andere Ladungen fließen, die stationär bleiben, während hier das Ganze in Bewegung ist). Das ist das Amperesche Gesetz.

Tatsächlich war der Typ, nach dem dieses Gesetz benannt ist, einer von denen, die als erste indirekt Beweise für das beobachteten, was wir heute als Elektronenspin bezeichnen würden. Sehen Sie, wenn Sie ein Objekt nehmen, das einen elektrischen Strom durchfließt – und das würde eine rotierende statische Ladung beinhalten – und Sie es in ein Magnetfeld bringen, wird dank des Magnetkraftgesetzes eine Kraft auf den Strom entwickelt,$\mathbf{F}_\text{mag} = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$, und das ist im Fall von Elektromagneten offensichtlich, wo Sie einen Stromkreis haben und Strom durch ihn fließen lassen. Und was damals eine gängige Hypothese war, dass elektrische Ströme irgendwie für alle Magnetfelder verantwortlich sein müssen – aber wenn das der Fall ist, dann haben wir ein scheinbares Problem: Es gibt sogenannte Permanentmagnete , die historisch bei weitem die ersten Beobachtungen waren was wir heute Magnetismus nennen, bis zurück ins antike Griechenland (die Begriffe „Magnet“ und „Magnetismus“ selbst stammen vom Namen eines Ortes in Griechenland, Magnesia, wo viele natürlich magnetisierte Erze [Magnetit] gefunden werden konnten), und scheinen dennoch keinen nachweisbaren inneren Strom zu besitzen!

Und das lässt die Frage offen, wie sie zu erklären sind, und was Ampere vorgeschlagen hat, war, dass es auf sogenannte Mikroströme (leider mit noch mehr Namensnennung auch als Amperian-Ströme bezeichnet ) innerhalb des Materials zurückzuführen ist, auf außerordentlich kleine, immer fließende elektrische Ströme von irgendeine Art, von denen jede so etwas wie eine winzige Schleife sein müsste, weil Sie sonst einen großen Strom haben würden, und die jeweils einen kleinen Dipol erzeugen würden, aber aufgrund ihrer phänomenalen Winzigkeit nicht entdeckt werden könnten durch ein gewöhnliches Instrument. In einigen Materialien würden sich diese Dipole aneinanderreihen, und Sie erhalten ein großflächiges Magnetfeld; in anderen tun sie dies nicht, und stattdessen tragen sie zufällig bei und die Felder ergeben im Durchschnitt ungefähr nichts.

Allein daraus ergibt sich ein starker Hinweis darauf, dass etwas im Material einer Art kontinuierlicher Bewegung ausgesetzt sein muss, die zur Erzeugung dieser Magnetfelder führt; aber es war nicht klar, was das war, bis ein besseres Verständnis der Atomstruktur und der Natur elektrischer Ströme genauer untersucht wurde und das Elektron entdeckt wurde und, was noch wichtiger ist, entdeckt wurde, indem festgestellt wurde, dass es vom Rest der Materie trennbar ist (dies ist normalerweise mit einem thermionischen Ventil, dh einer Vakuumröhre: Erhitzen Sie ein Filament wie eine Glühbirne, bis es superheiß leuchtet - gelbglühend, weißglühend - und es wird mit Elektronen brodeln), und so kann es auf seiner bewegt werden unabhängig von einem Material besitzen und damit verfügbar,

Natürlich wissen wir dann mit weiterer Arbeit, dass es sich um Quantenmechanik handelt, und das Verhalten dieser Spins - und aller anderen Bewegungen auf atomarer Ebene - unterscheidet sich sehr von der Newtonschen Mechanik: Aus einer sehr modernen Perspektive würden wir dies sagen entsteht, weil die Spinachse des rotierenden Elektrons nicht genau definiert ist, in welche Richtung sie im Raum zeigt, wiederum weil das Elektron als "Elementarsystem" (soweit wir wissen) nur eine einzige Information aufnehmen kann , und mit einem einzigen Bit haben Sie viel zu wenig, um ein komplettes aufzuschreiben$(\theta, \phi)$Paar reeller Zahlen räumliche Orientierung für die Rotationsachse eines Objekts!

Also im Grunde eine frühere Phase der systematischen Aufspaltung von Materie in kleinere Brocken, wie sie bisher in der Forschung praktiziert wurde.

Ich poste diesen Kommentar in das Antwortfeld, weil er nicht in das Kommentarfeld passt. Also antworte ich nicht, sondern versuche eher, die Frage zu verfeinern, damit die Leute nicht denken, ich würde „die Torpfosten verschieben“. Eine genaue Frage zu stellen ist manchmal schwierig - es ist, als würde man versuchen, eine Wegbeschreibung zu einem Ziel zu erhalten, wenn man die Straßennamen nicht kennt.

Vielen Dank Jon Custer für diesen Hinweis. Der Bericht von Goudsmit beginnt genau mit dem Rätsel, das Spin zu lösen versucht: der Aufspaltung der Lyman-Alpha-Linie (der Übergang von 2P zu 1S, der zur Emission von 121,6-nm-Licht führt). Und Goudsmits Bericht ist voller „Menschlichkeit“, was den abstrakten Begriff der theoretischen Physik wärmer und schmackhafter macht. Aber ich wünschte, es gäbe mehr Geschichten, die die „anderen Ideen, die scheiterten“, erzählten, um die Spaltung zu erklären.

Zum Beispiel ist die ganze Idee, dass ein „springendes Elektron“ ein Photon abgibt, immer noch mysteriös. Es passiert etwas in der Größe eines Wasserstoffatoms (120 Pikometer), das eine tausendmal längere Wellenlänge erzeugt. Dass es zu einer Aufspaltung kommt, weist auf zwei verschiedene Arten von Sprüngen hin. Es muss einen „weiteren Freiheitsgrad“ (in Goudsmits Worten) geben, um die feine Aufspaltung dieser Linie zu erklären. Manchmal erfolgt der Sprung also aus einer etwas höheren Energie und manchmal aus einer etwas niedrigeren Energie. Ich wünschte, ich könnte die Diskussion zwischen Pauli, Goudsmit, Ehrenfest und anderen hören, um zu verstehen, woher sie die Idee von „Spin“ haben.

Es hätte alles sein können. Warum sagten sie nicht, dass das Elektron zwei Isomere oder Isotope hat – groß und klein? Das größere Isomer würde eine etwas größere Energieänderung und daher eine kürzere Wellenlänge ergeben. Wenn Sie anfangen, über Spin zu sprechen, würde ich erwarten, dass Elektronen mit unterschiedlichen Spins von einem Magneten leicht unterschiedlich abgelenkt werden - aber ich habe nichts über Beta-Zerfall gelesen, der zu zwei verschiedenen Elektronenpfaden führt, wenn ein Magnet in die Nähe gebracht wird. Offensichtlich ist es also „nicht wirklich Spin“, sondern eher eine Bezeichnung für eine Eigenschaft – ähnlich wie man sie sich für Quarks vorstellt – Charme, Richtung usw

Das ist der Grund, warum ich nach Experimenten gefragt habe, die den Drehimpuls zeigen. Wenn Sie wirklich über etwas sprechen wollen, das sich dreht, müssen Sie seinen Drehimpuls im Vergleich zu etwas anderem messen, von dem Sie wirklich wissen, dass es sich dreht.

Und wenn „Spin“ nur als Bezeichnung für einen anderen Freiheitsgrad verwendet wird, warum verwenden die „Erfinder des Spins“ dann Einheiten des Drehimpulses, um ihn zu beschreiben?