Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

In oktober 1925 stelden twee Leidse promovendi, George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit, dat elektronen draaien. In moderne bewoording: een elektron heeft ‘spin’. Hoe deden ze deze ontdekking? En wat betekende die voor de natuurkunde?

Auteur: Louk Rademaker

Tegenwoordig leert elke natuurkundestudent dat een elektron beschreven wordt met een quantummechanische golffunctie én een tweewaardige spin. Dat laatste verschijnsel werd in oktober 1925 ontdekt door George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit, zelfs nog vóórdat Schrödinger zijn beroemde vergelijking opschreef. Daarmee hebben zij ook bijgedragen aan de ontwikkeling van de quantumtheorie zelf. Maar hoe kwam die ontdekking tot stand?

Tegenwoordig leert elke natuurkundestudent dat een elektron beschreven wordt met een quantummechanische golffunctie én een tweewaardige spin. Dat laatste verschijnsel werd in oktober 1925 ontdekt door George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit, zelfs nog vóórdat Schrödinger zijn beroemde vergelijking opschreef. Daarmee hebben zij ook bijgedragen aan de ontwikkeling van de quantumtheorie zelf. Maar hoe kwam die ontdekking tot stand?

Spectraalzoölogie
De belangrijkste inspiratiebron voor de ontwikkeling van de quantummechanica was de interactie tussen licht en materie. Denk bijvoorbeeld aan de stralingswet voor een zwart lichaam van Planck, of de theorie van het foto-elektrisch effect van Einstein. Maar de belangrijkste fenomenen zijn zonder twijfel de emissiespectra van atomen. Wanneer een atoom verhit wordt, gaat het spontaan licht uitzenden. Dat gebeurt niet bij alle frequenties: het emissiespectrum bestaat uit een enorme verzameling discrete ‘spectraallijnen’. 

Een belangrijke taak voor een theoretisch fysicus in de jaren voor 1925 was het vinden van structuren in deze ‘spectraalzoölogie’. En een belangrijke stap in het begrijpen van die spectraallijnen was het atoommodel van Bohr.  Daarin bevinden elektronen rond de atoomkern zich alleen in discrete, ‘gequantiseerde’ energieniveaus. Als een elektron van een hoge naar een lage baan springt, wordt een foton uitgezonden met de frequentie gelijk aan het verschil tussen de elektronenergieën. 

Lees het volledige artikel in het novembernummer of klik hier.