Квантовый возраст

Итак, на исходе 1924 г. Паули объяснил аномальный эффект Зеемана, сформулировав не имеющий никаких аналогов в классической физике и казавшийся абсолютно загадочным принцип, так называемый «принцип запрета». В силу этого принципа в атоме не может существовать двух и более электронов в одном и том же энергетическом состоянии. В существующей к этому времени теории энергетическое состояние электрона описывалось тремя «квантовыми числами», соответствующими трем физическим характеристикам электрона: энергии, орбитальному моменту и проекции момента на направление магнитного поля. Все три величины квантовались. Паули к этим трем квантовым числам добавляет загадочное четвертое число, описывающее «своеобразную, классически не описываемую двузначность квантово-механических свойств излучающего электрона» [13, с. 373]. «Излучающий», или оптический электрон, — это последний электрон на внешней оболочке атома. У одновалентных веществ (водород и щелочные металлы) на внешней оболочке один-единственный электрон. Для всех остальных элементов именно количество этих внешних, оптических электронов или их недостающее число и определяет валентность вещества (так они и расположены по столбцам таблицы Менделеева).

Так вот, к этому времени физики пришли к однозначному выводу, что, скажем, для одновалентных металлов угловой момент «атомного остатка», т. е. ядра и нейтральной оболочки без внешнего электрона, равен ½. А Паули, никаким образом не принимая этот факт во внимание и выражаясь столь туманно о «своеобразной, классически не описываемой двузначности» электрона, делает еще один очень важный вывод о том, что угловой момент атомного остатка обусловлен только внешними электронами. Казалось, этого было достаточно, чтобы сделать следующий, абсолютно очевидный вывод о том, что электрон обладает собственным моментом, равным ½. Тогда, во-первых, становится понятным половинчатый момент атомного остатка, во-вторых, оправдывается наличие четвертого квантового числа, соответствующего этому самому собственному моменту электрона, и, наконец, становится понятным «принцип запрета». Последнее, пожалуй, следует пояснить.

Дело в том, что в модели Бора в атоме на одной оболочке могут находиться два и больше электронов с одинаковыми квантовыми числами, а как же тогда срабатывает принцип Паули, необходимый и введенный для объяснения аномального эффекта Зеемана? И тут очевидно, что достаточно приписать электрону собственный момент и соответствующее ему четвертое квантовое число, и тогда два электрона вполне могут позволить себе иметь все квантовые числа одинаковыми, кроме последнего: собственные моменты ½ должны быть направлены в противоположные стороны. Этот самый собственный момент электрона ½, который называется спином, отражая тот факт, что электрон вертится вокруг собственной оси, действительно есть у электрона, и ни одно явление в микромире невозможно описать без него. Но ввел понятие спина не Паули. В связи с этим в любом воспоминании о Паули можно найти недоумение: так близок был Паули к спину и так его просмотрел! Но Паули не просто просмотрел спин.