令人赞叹的元素周期表
1869年，俄国伟大的科学家门捷列夫（1834—1907年）把当时已经发现的63种化学元素按照原子量的大小依次排列，建立起和谐、优美的元素周期表。从这张表可以清楚地看出，化学元素的物理、化学性质随着原子量的增加而呈现出一种周期性的变化。更确切地说，是随着原子序数的增加表现出周期性的变化。靠近元素周期表的左侧，元素的金属性质越来越强。最左端的一列元素中，除了氢元素之外，均为自然界最活泼的金属元素；而靠近元素周期表的右侧，情况刚好相反，元素的非金属性质表现得越来越明显；最右边的一列元素属于自然界中活动性最差的元素，称为惰性气体。小小的一张表格，把自然界中各元素之间的内在联系揭示得真可谓淋漓尽至，称得上一绝。元素的物理、化学性质与原子的内部结构有着密切的关系。因此，可以说元素周期表是原子内部结构的一种外在的表现；而原子内部的壳层式结构，反映出周期表的实质。然而，如何从理论上回答这个问题，元素周期表建立后的半个多世纪以来一直悬而未决。
难以捉摸的反常塞曼效应
早在1862年，法拉第曾做过这样一个实验，他把光源放在磁场中，观察磁场对光源发射出的谱线会产生什么样的影响。遗憾的是，实验结果没有观察到任何异常现象，因此，这项研究工作也就搁置下来。经过30多年之后，荷兰物理学家塞曼（1865—1943年）改进了实验设备，重新对这问题进行了研究。他把光源置于足够强的磁场中，磁场强度高达几千到几万高斯。他惊奇地发现，原来的一条光谱线分裂成彼此靠得非常近的几条分线。各分线的间隔大小与磁场的强度成正比。光谱线在磁场中这种分裂现象，后来人们就以塞曼的名字来命名，称为塞曼效应。运用当时已经建立起来的经典电磁理论，解释这个实验现象时，只能一部分情况获得了很好地说明；而另有一些现象确无能为力。鉴于这种情况，历史上人们把塞曼效应分为两种类型：
有一类原子的光谱，比如锌（Zn）、汞（Hg）、镉（Cd）等，这些元素的光谱中，具有单线结构的光谱线在比较弱的磁场中，倘若从垂直于磁场的方向进行观察，一条谱线分裂为3条：其中一条仍在原来的位置，也就是这条谱线的频率没有改变；另外两条分居左右两侧，这两条谱线的频率变化与磁场的强度成正比。分裂后的3条分线是等间隔的，正如图4-10所示。
谱线的这种分裂现象，不久便被当时很有名望的荷兰科学家洛仑兹（1853—1928年）从理论上给出成功的解释。这种谱线的分裂现象称为正常塞曼效应，或者叫做简单塞曼效应。
1897年，普雷斯顿在做同样的实验中，发现许多原子的光谱线在弱磁场中分裂的数目不止3条，而是有多条分线；分裂以后的各分线的间隔也不完全相同。比如，钠原子的D双线，波长为5890埃的谱线分裂为6条；而波长为5896埃的那条谱线则分裂为4条。如图4-11所示。光谱线这种分裂的现象，在发现后的近30年中，虽然有许多人从事这方面的研究，但始终未能从理论上给出明确的解答。对于这种不寻常的现象，历史上称为反常塞曼效应，或者叫做复杂塞曼效应。
当时，奥地利著名的理论物理学家泡利（1900—1958年）对这个难题非常感兴趣。他一直在紧张地思考着，寻求解决问题的答案。有一次，他走在哥本哈根的大街上，仍在冥思苦想这个问题。这时，被一位上了年纪的妇人给拦住了，老妇人吃惊地问他发生了什么事情，使他这样的苦恼。泡利便耸了耸肩，摇了摇头，无可奈何地说到：太太，我不明白塞曼的反常效应。
初生牛犊不怕虎
为了从理论上更好地解开这些人们关注的实验现象和元素周期表的秘密，1925年，当时正在莱顿大学攻读学位的两位研究生，一位名叫乌伦贝克，另一位是古德斯密特。他们在大量的实验事实的基础上，经过潜心地研究，大胆地提出了前所未有的假设。他们认为电子不是一个简单的点电荷，电子除了围绕原子核这种运动形式以外，它还具有一种重要的性质，他们称这种性质为电子的自旋。如同地球一样，除了有围绕太阳的公转以外，还有一种围绕自身轴的转动，即所谓自转运动形式。每个电子具有一个固有的自旋角动量，它在某一个特定的方向上，比如外磁场B→的方向，其分量只有两个；每个电子具有自旋磁矩，它在这个特定的方向上也只有两个分量。
乌伦贝克和古德斯密特关于电子自旋的假设，是20世纪初期最重要的假设之一。在众多著名的科学家面前表现出非凡的胆量，真是初生牛犊不怕虎。他们把这种想法报告给了他们的导师，一位荷兰著名的物理学家——埃伦费斯特。埃伦费斯特充分肯定了他们的想法，指出这可能是一个重要的发现，当然也可能是完全错误的，并建议他们把这些想法写成论文发表出去。于是，他们把这些想法整理出来，写了一篇仅有一页纸的短文。随后，埃伦费斯特将这篇文章推荐到著名的《自然》杂志。
后来，乌伦贝克和古德斯密特又专程请教物理学界的老前辈洛仑兹。洛仑兹非常热情地接待了这两位年青的学者，并答应想一想再回答他们。一周之后，他们又一次拜访洛仑兹时，洛仑兹将一叠写满了计算式子和数字的稿纸交给了他们。如果仿照地球的自旋，或者旋转着的小陀螺这种经典情况的模型，电子围绕自身轴旋转，洛仑兹计算出电子表面的线速度高达光速的10倍。大家都知道，光速是自然界中的极限速度。显然，这样的结果是十分荒唐的。为此，他们两人就想向埃伦费斯特要回那篇自以为非常不妥当的论文。但是，已经晚了，他们的导师早已将论文寄了出去，并且即将刊出。乌伦贝克和古德斯密特追悔莫及，埃伦费斯特鼓励他们，你们还年轻，做些蠢事不要紧。
这篇具有独到之处的短文发表以后，曾得到海森堡（1901—1976年）、爱因斯坦、玻尔、托马斯等著名科学家的赞赏与关注，在他们的大力支持与帮助下，克服了许多难点与阻力，终于获得了成功，电子自旋的概念很快被物理学界广为接受。就连起初极力反对这一思想的泡利，也承认这一假设是有效的。泡利在给玻尔的信中曾风趣地说到：“对我来说，只好完全投降了。这段历史的趣事虽然已过去了许久，但仍然很值得人们回味，从中会悟出许多有益的教诲。”
电子具有自旋这一思想的建立，使斯特恩和盖拉赫实验引发的矛盾，使困扰人们多年的光谱精细结构问题、历史遗留多年的元素周期表和反常塞曼效应等难题，运用电子自旋这一简单的力学概念很容易获得了圆满的解释。电子自旋概念的提出，是人们长期探索物质微观结构方面取得的又一项重大进展，奇妙的微观世界又增添了一处新的景点，从而使人们对电子运动状态的认识更加深入。
随着人们对电子自旋理论研究的展开，不久，泡利等人便把这一思想纳入了量子力学体系。到了1928年，著名的数学物理学家狄拉克（1902—1984年）建立了相对性量子力学，在他的理论中非常自然地将电子的这种特性反映了出来。
自旋是电子自身的一种性质，常常称为电子的内禀特性，是电子最基本的属性之一，如同电子具有电荷、质量一样。不能将电子自旋简简单单地理解为一个带有电荷的小球像陀螺那样，绕着自身轴旋转，这只是一种形象的比喻。在今后不断深入学习的过程中，会逐渐理解电子自旋的内涵。
如今，人们已认识到，自旋运动不是电子独家所有，而是一切微观粒子共有的基本特征。在量子理论中，在微观世界的大家族里，每个成员除了具有与空间运动有关的轨道角动量以外，还存在一个与其空间运动无关的、反映粒子本身特性的自旋角动量。粒子的这种属性仅为量子理论中所特有的产物，在经典理论中找不到相应的对应物。
自旋理论的建立至今已有70多年了，人们对这个问题的研究越来越深入，取得了显著的成绩，但仍有一些疑难问题有待人们进一步探索。比如，地球自转的起因，人们已经认识很清楚，运用地球内部物质的转动可以得到很好地说明。但是，对于电子自旋运动的起因，至今仍未找到满意的解答，这也是一个难题，有待人们去深入研究。到电子自旋提出百周年的时候，能够给出一个较为理想的答案吗？
