¿Cuál es la evidencia (observación experimental) de que las partículas elementales tienen momento angular de espín?

Quizá sea mejor empezar esto desde la perspectiva clásica. En el electromagnetismo clásico, un objeto cargado eléctricamente que gira genera un campo magnético debido al hecho de que el giro del objeto cargado es una carga en movimiento y, por lo tanto, técnicamente es una corriente eléctrica (aunque puede que no sea lo que uno piensa de una corriente eléctrica ) . que es donde fluyen las cargas dentro del material con respecto a otras cargas que permanecen estacionarias, mientras que aquí todo está en movimiento). Esta es la ley de Ampere.

De hecho, el tipo que da nombre a esa ley fue uno de los primeros en observar indirectamente la evidencia de lo que ahora llamaríamos espín del electrón. Verá, si toma un objeto que transporta una corriente eléctrica, y eso incluiría una carga estática giratoria, y lo coloca en un campo magnético, se desarrolla una fuerza en la corriente gracias a la ley de fuerza magnética,$\mathbf{F}_\text{mag} = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$, y esto es obvio en el caso de los electroimanes, donde tienes un circuito eléctrico y pasa corriente a través de él. Y lo que era una hipótesis en marcha en ese momento era que las corrientes eléctricas deben explicar de alguna manera todos los campos magnéticos, pero si ese es el caso, entonces tenemos un problema aparente: existen los llamados imanes permanentes que históricamente fueron, con mucho, las primeras observaciones de lo que ahora llamamos magnetismo, desde la antigua Grecia (los términos "imán" y "magnetismo" provienen del nombre de un lugar en Grecia, Magnesia , donde se podían encontrar muchos minerales naturalmente magnetizados [magnetita]), ¡y, sin embargo, parece no poseer corriente interna detectable!

Y eso deja la cuestión de cómo explicarlos, y lo que Ampere sugirió fue que se debió a las llamadas microcorrientes (lamentablemente, con aún más epónimo, también llamadas corrientes amperianas ) dentro del material, corrientes eléctricas extraordinariamente pequeñas y en constante flujo de algún tipo, cada uno de los cuales tendría que ser algo parecido a un pequeño bucle porque, de lo contrario, tendría una corriente a gran escala, y cada uno produciría un pequeño dipolo, pero en virtud de su fenomenal minuciosidad, sería imposible de detectar. por un instrumento ordinario. En algunos materiales, esos dipolos se alinearían y obtendrías un campo magnético a gran escala; en otros, no lo hacen y, en cambio, contribuyen aleatoriamente y los campos promedian aproximadamente nada.

Entonces, solo por eso, hay un fuerte indicio de que algo en el material debe estar experimentando algún tipo de movimiento continuo que resulta en la generación de estos campos magnéticos; pero no estaba claro qué era hasta que se investigó más de cerca una mejor comprensión de la estructura atómica y la naturaleza de las corrientes eléctricas, y se descubrió el electrón y, lo que es más importante, se descubrió al descubrir que era separable del resto de la materia (esto es generalmente se hace usando una válvula termoiónica, es decir, un tubo de vacío: caliente un filamento como una bombilla hasta que brille súper caliente (amarillo caliente, blanco caliente) y se enturbiará con electrones), y así permitir que se mueva sobre su propio independientemente de un material, y con eso disponible,

Por supuesto, luego sabemos con más trabajo que la mecánica cuántica es una cosa, y el comportamiento de estos espines, y todos los demás movimientos en la escala atómica, es muy diferente de la mecánica newtoniana: desde una perspectiva muy moderna, diríamos esto Esto se debe a que el eje de espín del electrón en rotación está mal definido en cuanto a qué dirección apunta en el espacio, a su vez porque, como "sistema elemental" (hasta donde sabemos), el electrón solo puede contener un bit de información. , y con un solo bit, tienes muy poco para escribir un completo$(\theta, \phi)$orientación espacial de pares de números reales para el eje de rotación de un objeto!

Básicamente, una etapa anterior de dividir sistemáticamente la materia en partes más pequeñas, como ha estado ocurriendo en la investigación hasta ahora.

Estoy publicando este comentario en el cuadro de respuesta porque no cabe en el cuadro de comentarios. Así que no estoy respondiendo, sino tratando de refinar la pregunta para que la gente no piense que estoy 'moviendo los postes de la portería'. Hacer una pregunta precisa a veces es difícil; es como tratar de obtener indicaciones para llegar a un destino si no sé los nombres de las calles.

Muchas gracias Jon Custer por esa referencia. El relato de Goudsmit comienza exactamente con el rompecabezas que el espín busca resolver: la división de la línea alfa de Lyman (la transición de 2P a 1 S que da como resultado la emisión de luz de 121,6 nm). Y el relato de Goudsmit está lleno de "humanidad", lo que hace que la noción abstracta de la física teórica sea más cálida y agradable. Pero desearía que hubiera más historias que contaran las 'otras ideas que fallaron' para explicar la división.

Por ejemplo, toda la idea de que un 'electrón que salta' emite un fotón sigue siendo un misterio. Algo sucede dentro del tamaño de un átomo de hidrógeno (120 picómetros) que genera una longitud de onda mil veces mayor. Que ocurra la división indica dos tipos diferentes de salto. Tiene que haber 'otro grado de libertad' (en palabras de Goudsmit) para explicar la fina división de esa línea. Así que a veces el salto es de una energía ligeramente superior ya veces el salto es de una energía ligeramente inferior. Me gustaría poder escuchar la discusión entre Pauli, Goudsmit, Ehrenfest y otros para poder entender de dónde sacaron la idea de 'giro'.

Podría haber sido cualquier cosa. ¿Por qué no dijeron que el electrón tenía dos isómeros o isótopos, grande y pequeño? El isómero más grande daría un cambio de energía ligeramente mayor y, por lo tanto, una longitud de onda más corta. Si comienza a hablar sobre el espín, entonces esperaría que un imán desviara los electrones con diferentes espines de manera ligeramente diferente, pero no he leído sobre la descomposición beta que resulta en dos caminos de electrones diferentes cuando se acerca un imán. Evidentemente, "no es realmente un giro", sino más bien una etiqueta para una propiedad, similar a las imaginadas para los quarks: encanto, dirección, etc.

Esa es la razón por la que pedí experimentos que mostraran el momento angular. Si realmente quieres hablar de algo que gira, tienes que medir su momento angular en comparación con otra cosa que realmente sabes que gira.

Y si 'giro' solo se usa como una etiqueta para otro grado de libertad, ¿por qué los 'inventores del giro' llegaron a usar unidades de momento angular para describirlo?