Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 7 de Mayo, 2012, 6:15

Uno de los grandes descubrimientos de la física de principios del siglo XX fue el spin del electrón, una característica netamente cuántica. Tengo pensado una serie de post sobre la historia de su descubrimiento, que es muy interesante e ilustrativa de los caminos de la ciencia. Hoy quisiera presentar un fragmento de esa historia: la propuesta de un electrón que gira, por parte de George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit.

Al examinar con detalle el espectro del átomo de hidrógeno, los físicos descubrieron que sus líneas espectrales, que parecían simples, en realidad eran múltiples. Para explicar esa "estructura fina" del espectro se propusieron varias explicaciones. Un acercamiento fue dado por Sommerfeld, que basado en el modelo de Bohr, agregó ajustes de relatividad para explicar ese desdoblameniento de líneas espectrales. Pero el adelanto importante vendría de parte de Uhlenbeck y Goudmsmit, en 1925. Ya a principios de ese año, Ralph Kronig había sugerido que el electrón tenía una rotación intrínseca (hoy se prefiere mencionar la propiedad spin, sin sugerir que es producida por una rotación). Pero también Arthur Holly Compton, en 1921, había escrito al final de un trabajo de investigación sobre la dispersión de rayos X: "Entonces, puedo concluir que el electrón mismo gira como un pequeño giróscopo, y es probablemente la partícula magnética más pequeña". Encuentro un relato del propio Uhlenbeck:

"Goudsmit y yo llegamos a esta idea mientras estudiábamos un artículo de Pauli en el cual estaba formulado el famoso principio de exclusión y en el cual, por primera vez, se asignaban cuatro números cuánticos al electrón. Esto se había hecho de manera formal y sin un esquema concreto asociado. Para nosotros esto fue un misterio. Discutíamos sobre la proposición de que a cada número cuántico al electrón. Esto se había hecho de manera formal y sin un esquema concreto asociado. Para nosotros esto fue un misterio. Discutíamos sobre la proposición de qie a cada número cuántico le corresponde un grado de libertad (una coordenada independiente) y por otra parte sobre la idea de un electrón puntual el que obviamente sólo tiene tres grados de libertad y no podíamos colocar el cuarto número cuántico. Solamente lo entenderíamos si se suponía al electrón como una pequeña esfera que pudiera girar..."

Esa idea tenía problemas.

"Un poco después encontramos en un artículo de Abraham, sobre el cual Ehrenfest llamó nuestra atención, que clásicamente se podía entender el factor dos necesario en el momento magnético (gz = 2)."

Ese factor es muy importante. Como vemos, una parte de la historia del spin gira (;-) sobre ese factor.

"Esto nos animó mucho pero nuestro entusiasmo se redujo considerablemente cuando vimos que la velocidad de rotación en la superficie del electrón tenía que ser muchas veces más grande que la velocidad de la luz!"

Ese era el problema de ver al electrón girando.

"Recuerdo que la mayoría de nuestras ideas nos vinieron una tarde de fines de septiembre de 1925. Estábamos excitados pero no teníamos la menor intención de publicar algo. Parecía temerario que algo pudiera estar mal en esto, especialmente cuando Bohr, Heinsenberg y Pauli, nuestras grandes autoridades no habían propuesto nada al respecto. Por supuesto que se lo comentamos a Ehrenfest quien de inmediato se impresionó, según creo, por el caracter intuitivo de nuestra hipótesis, lo cual coincidía mucho con su línea. El llamó nuestra atención sobre varios puntos, tales como el hecho de que en 1921 A.H. Compton había sugerido la idea de un electrón en rotación como una explicación posible de la naturaleza unitaria del magnetismo y finalmente dijo que o era muy importante o no tenía sentido y que deberíamos escribir una nota corta para Naturwissenschaften [una revista de investigación] y dársela. Terminó con las palabras 'y preguntémosle a Lorentz'. Así se hizo. Lorentz nos recibió con su reconocida amabilidad y se mostró muy interesado aunque, según creo, algo escéptico. Prometió pensarlo y en efecto, a la semana siguiente teníamos un manuscrito con su preciosa letra y que contenía cálculos largos sobre las propiedades electromagnéticas de los electrones en rotación. No lo entendimos bien a bien pero era claro que si se tomaba en serio la descripción del electrón giratorio se tendrían serias dificultades. Por un lado, la energía magnética debería ser tan grande que, por la equivalencia de masa y energía, el electrón debería tener una masa mayor que la del protón o si uno se aferra a la masa conocida, el electrón debería ser más grande que el átomo completo! En cualquier caso, parecía no tener sentido. Tanto Goudsmit como yo sentimos que lo mejor sería no publicar por el momento, pero cuando se lo dijimos a Ehrenfest, nos respondió: 'Hace tiempo que yo mandé su carta; ambos son lo suficientemente jóvenes como para permitirse algunas tonterías"

Esta declaración está en el libro "The Conceptual Development of Quantum Mechanics" de Max Jammer. No tengo ese libro, sino que lo tengo citado en el excelente Física Cuántica, de Eisberg y Resnick.

Ehrenfest fue un gran promotor de sus estudiantes investigadores. Tengo que escribir cómo influyó en Fermi, entre otros.

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Nos leemos!

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