Spinowa liczba kwantowa

Bardziej szczegółowe badania struktury poszczególnych linii widmowych dość prędko ujawniły, że rozszczepiają się one w bardziej skomplikowany sposób, niż wynikałoby to z efektu Zeemana, zjawisko to nazwano anormalnym zjawiskiem Zeemana. W szczególności okazało się, że niekiedy następuje rozdwojenie linii, co wskazuje na rozdwojenie poziomów energetycznych.
Był to problem szczególnie zagadkowy, gdyż zdawał się wskazywać na istnienie nowej liczby kwantowej, która mogła przybierać tylko dwie wartości. Lecz sens tej liczby był całkowicie nieuchwytny. Wydawało się, że wszystko, co niezbędne dla scharakteryzowania układu kwantowego uwzględniono.

W końcu rozdwojenie linii widmowych wyjaśnili Goudsmit i Uhlenbeck. Wyjaśnienie to było jednym z największych osiągnięć ówczesnej epoki. Zasugerowali oni, że elektron oprócz takich właściwości jak ładunek i masa ma jeszcze inną, immanentną własność, a mianowicie spinowy moment pędu nazywany krótko spinem. Jest on wynikiem ruchu obrotowego elektronu wokół własnej osi. Ruch ten opisuje spinowa liczba kwantowa s.

Liczbę s nazywamy liczbą kwantową, ale nie używamy jej na równi z innymi liczbami kwantowymi, ponieważ ma ona wyłącznie wartość 1/2 i wobec tego nie wprowadza dodatkowego rozróżnienia stanów energetycznych. Dopiero, kiedy przyłożymy zewnętrzne pole magnetyczne (B), to składowa momentu pędu Ls w kierunku z jest kwantowana i opisana wzorem.
Lsz = msh / 2
gdzie; ms = +/-1/2 nosi nazwę magnetycznej spinowej liczby kwantowej. Często mówi się, że liczbie kwantowej ms = +1/2 odpowiada spin skierowany w górę, a ms = -1/2 odpowiada spin skierowany w dół.
Chociaż w początkowym okresie trudno było wytłumaczyć pochodzenie spinu elektronu i chociaż upłyneło nieco czasu, zanim włączono tę wielkość fizyczną w sposób spójny do mechaniki kwantowej, wkrótce stało się rzeczą jasną, że zaproponowana przez Goudsmitha i Uhlenbecka hipoteza bardzo dobrze wyjaśnia obserwowaną strukturę linii widmowych.

Jak zobaczymy w dalszej części podręcznika, podwojenie poziomów energetycznych w atomach wskutek występowania spinu elektronowego odgrywa decydującą rolę w konstrukcji układu okresowego pierwiastków.
W tabeli zestawiono wszystkie liczby kwantowe. Ponieważ s jest zawsze równe 1/2 stan układu może być całkowicie opisany za pomocą liczb kwantowych n, l, m, ms. Zauważmy, że dla każdego l istnieje 2l + 1 wartości m, a dla każdego s mamy 2s + 1 = 2 możliwych wartości ms.