Kuantum mekaniğine giden yol: Spin

Günümüzde hemen herkes LCD ekran tv, akıllı telefon, bilgisayar, tablet, internet, whatsapp, e-mail gibi daha pek çok elektronikle ilgili teknolojik imkanlardan yararlanmaktadır. Bu teknolojik imkanların altında yatan bilimsel temellerin çoğunluğu kuantum dünyasının belirli ölçüde anlaşılmasıyla atılabilmiştir. Kuantum dünyasında, atomaltı dünyada olup bitenin bilimsel izahı ise ancak kuantum teorisi ile yapılabilmektedir. Bu noktaya nasıl gelindi bir bakalım.

Atomik spektroskopi (tayf bilimi) ve deneysel fizikteki gelişmeler, modern kuantum teorisinin 1925’ten 1928’e kadar geçen periyottaki doğum sürecinde önemli bir yere sahiptir. Özellikle atom fiziğinde ince yapı ve “Zeeman olayı” dediğimiz fenomenler bunların başında yer alır. Bu durumu izah edebilmek için biraz geriye gitmek gerekir.

Paladyum ve rodyumun (radyum değil!) kaşifi İngiliz kimyacı ve fizikçi Wollaston, 1802’de güneş spektrumundaki karanlık çizgileri ilk gören kişiydi. Ancak keşfini takdir edemeyerek söz konusu çizgileri yanlış yorumladı. Spektrumdaki düzen ilk defa Fraunhofer tarafından 1814-1817 yılları arasındaki sistematik çalışmalarla fark edildi. Güneş spektrumundaki Fraunhofer  çizgileri  1861’de Bunsen ve Kirchhoff tarafından soğurma çizgileri olarak yorumlandı. Bu yoruma göre güneşin yaydığı ışık, daha soğuk Güneş atmosferinden geçerken sürekli spektrumundaki karanlık çizgilere karşılık gelen dalga boyları mevcut gazlar tarafından soğrulmaktaydı. Bu keşif spektral analizin başlangıcı oldu ve her kimyasal elementin kendine has, parmak izi mahiyetinde, kendi kimliğini ortaya koyan, çizgili bir spektruma sahip olduğu anlaşıldı. Daha da ilginci, spektral analiz yöntemi ile Bunsen ve Kirchhoff’un sezyum ve rubidyum elementlerini keşfetmeleridir. Ek olarak, helyumun da güneş spektrumu incelenirken 1868’de keşfedildiğini, dünyada ancak otuz sene sonra bulunabildiğini belirtmek gerekir. Zamanla spektrumların incelenmesi fizik biliminin ana araştırma konularından birisi oldu. Ancak ışığın atomlarda nasıl üretildiği ve yok olduğu atomik mekanizma ile ilgili idi. Optiğin bir parçası olmakla beraber, spektroskopi giderek atom ve molekül fiziğine temel teşkil eden bir disiplin haline geldi.

Klasik fiziğin sıcak cisimlerden yayınlanan elektromanyetik ışımayı açıklamakta yetersiz kalması ve yirminci yüzyılın başında Planck’ın enerjinin kuantizasyonu kavramını öne sürmesi, maddenin kuantum teorisinin  geliştirilmesine giden yolda devasa bir adımdı. Bu kavramı 1905’te Einstein fotoelektrik olayın daha sonra da katı maddelerin özgül ısılarının izahında kullanarak sağlamlaştırdı. Aynı yıl Einstein, Brown hareketlerinin de izahını yaparak maddenin atomik yapıdan oluşup oluşmadığı yönündeki tartışmalara son verdi. Kuantum dünyasıyla ilgili ivmelenen gelişme, Rutherford’un çekirdekli atomu keşfinden sonra, 1913’te Bohr’un  hidrojen atomu için bir teori geliştirmesiyle sonuçlandı. Bohr atom teorisinin performansı, özellikle hidrojenin atomik geçişlerde yayınlanan ışımaların teorik dalga boylarının nicel değerlerinin, laboratuvarda gözlemlenen spektral çizgilerin dalgaboylarıyla karşılaştırılmasıyla teyit edildi. Bohr atom modeli tek elektronlu atomların (hidrojen ve elektron kaybetmiş helyum, lityum gibi iyonların) spektrumlarının ve iyonlaşma enerjilerinin, Rydberg’in  hidrojen atomu spektrumu için geliştirmiş olduğu deneysel formüldeki sabitinin teorik olarak hesabında, Ritz kombinasyon ilkesinin (atomik spektrumdaki iki çizginin frekansları toplamının üçüncü bir çizginin frekansına eşit olması durumu), ayrıca X-ışınlarının çizgili spektrumlarının açıklanmasında hatırı sayılır bir başarı elde etti.

Şimdi tekrar geriye dönersek, ilk basit spektrometre (tayfölçer) on dokuzuncu yüzyılın başında 1814’te Alman optikçi Fraunhofer tarafından bir optik prizma, bir kırınım yarığı (diffraction slit) ve bir teleskop kullanılarak geliştirildi. Spektrometrenin amacı, gelen ışık demetindeki değişik dalga boylarındaki ışığı ayırarak incelemektir. Optik biliminin on dokuzuncu yüzyılda gelişmesiyle anlaşılan önemli ayrıntılardan birisi, kırınım ağı (diffraction grating) dediğimiz bir ızgaradan geçirilen ışık eğer ince kenarlı bir mercekle toplanarak gözlendiği takdirde ayırma gücü optik prizmaya göre çok yüksek olan bir düzenek elde etmenin mümkün hale geldiğidir. Bu düzenekte yüksek çözünürlük için esas, birim uzunluktaki yarıkların fazla olmasıdır. Kırınım  ışık veya diğer dalgaların engellerin çevresinden yayılması ve engellerin etrafından dolanarak geçmesi ile ortaya çıkmaktadır. Kırınımın bir sonucu keskin kenarlı gölgelerin oluşmamasıdır. Elinizdeki bir cismi masa lambasına yaklaştırıp uzaklaştırarak bunu görebilirsiniz. İşte 1882’de, Amerikalı fizikçi Rowland geliştirdiği özel bir aletle inç başına yaklaşık 14.500 yarıklı bir kırınım ağı üretmeyi başardı. Böylece yüksek çözünürlüklü ve ışığı dağıtma özelliği (dispersiyon) yüksek bir spektrometre yaparak bu alanda büyük bir sıçrama yaptı. Kırınım ağını içbükey yaparak (İç bükey bir ağ yardımı ile kızılötesi ve morötesi ışınlarda incelenebilmektedir; bu ışınlar mercekten geçirilirse soğrulurlar) prizma ve mercek kullanmadan analiz yapabildi ve gözlemlediği spektrumların fotoğraflarını çekti. Güneş spektrumunun ayrıntılı bir incelemesini yaparak Güneş’te yaklaşık kırk element tespit etti. Yaptığı çalışmalar astronomik spektroskopiye büyük katkı sağladı.

İngiliz fizikçi Faraday, ömrünün son demlerinde manyetik alanın ışık üzerindeki etkisini araştırmak istemişti ancak elindeki teknik imkanlarla bunu yapamadı. Spektroskopideki ve deneysel fizikteki ilerlemelerle bu araştırmayı ancak 1896’da Hollandalı fizikçi Zeeman yaptı. Zeeman, sodyum üzerinde çalışarak manyetik alan uyguladı. Deneyde bazı spektrum çizgilerinde manyetik alan etkisiyle bir genişlemenin olduğunu fark etti. Fakat bir yıl sonra, 1897’de deney İrlandalı fizikçi Preston tarafından daha yüksek çözünürlüklü düzenekle tekrarlanarak enteresan bir sonuç elde edildi. Preston, manyetik alan etkisi ile sodyum spektrumundaki çizgilerinden birinin dörde diğerinin de altıya yarıldığını (splitting) gözlemledi (bu çigilerin dalgaboyları; 589 ve 589,6 nanometredir). Daha sonra bu fenoman, anormal Zeeman olayı olarak anılacaktır. Zeeman’ın gözleminden sonra hocası Lorentz bu olayın klasik bir teorisini yaptı. Lorentz, manyetik alan etkisiyle spektrumlarda gözlenen dublet (ikili) ve triplet (üçlü) yarılmalara bir izah getirmişti. Preston’un gözlemleri ve benzerleri, yani çoklu (multiplet) yarılmalar bu nedenle anormal olarak nitelendirildi. Lorentz’in teorisi ancak çinko, bakır gibi sınırlı sayıdaki elementlerde görülen triplet yarılmalara sözde açıklama getirebilmişti. Atomik spektroskopinin gelişmesi ile çözünürlük artmış, zamanla atomlara hiç manyetik alan uygulanmasa bile hemen hemen tüm atomların pek çok spektral çizgisinde kendiliğinden bir yarılmanın, bir ince yapının olduğu gözlenmişti. Bu gelişmeyle birlikte şöyle bir sonuca varılıyordu: Zeeman olayında manyetik alan etkisi ile spektral çizgiler yarılıyorsa, gözlenen ince yapı yarılmaları da benzer nedene sahip olabilir, manyetik alan kökenli olabilirdi. Sonuç olarak bu iki problemin ortak bir çözümü olması gerekiyor gibi görünüyordu. Hava da yavaş yavaş kararmaya başlamıştı.

Alman fizikçi Sommerfeld, 1916’da Bohr’un teorisini ek bir ayrı kuantizasyon koşulu ile genişleterek elektronun sadece dairesel yörüngede değil eliptik yörüngede de dolanabileceğini ileri sürdü. Sommerfeld’in teorisinde açısal momentumumla ilgili olandan ayrı bir de radyal kuantum sayısı vardı. Burada açısal momentum kuantum sayısı azimuthal kuantum sayısı ile temsil ediliyordu. Bohr teorisinde açısal momentum kuantizasyonundan ileri gelen tek kuantum sayısı vardı ve elektron sadece dairesel yörüngelerde dolanabilirdi. Burada ise baş kuantum sayısı; azimutal kuantum sayısı ve radyal kuantum sayısının toplamından oluşuyordu. Bu sonuç şu anlama geliyordu: Aynı enerjiye sahip olsa da farklı yörüngede farklı durumda elektronlar olabilirdi; teknik terimle dejenerasyon demekti.

X-ışınları çizgili spektrumları Bohr’un teorisine göre şöyle meydana geliyordu: Hızlandırılmış elektronların atomlara çarpışmasıyla iç yörüngelerdeki elektronlar sökülüyor, bu boşluklar üst yörüngelerden gelen elektronların geçişleriyle dolduruluyordu. Bu geçişler sırasında meydana gelen ışıma çizgili X-ışın spektrumunu meydana getiriyordu. İşte bu X-ışını spektrumlarında da dubletler gözlenmişti. Somerfeld’in yaklaşımına göre, farklı açısal momentuma sahip elektronlar, örneğin biri dairesel biri eliptik yörüngede olan arasında hız farkı olacak, bu hız farkı rölativistik kütle farkına neden olacak geçiş sırasında dubletleri ortaya çıkaracaktı. Ancak bu açıklama alkali metallerin optik spektrumlarında görülen izah bekleyen dubletler için geçerli olamazdı. Çünkü alkali metallerde tek bir valans elektronu mevcuttur. Sanki bulutlar toplanmaya başlamıştı.

Sommerfeld,  açısal momentum kuantize olduğundan (Bohr’un teorisinden itibaren) açısal momentumla orantılı olan atomun magnetik dipol momentinin, atoma bir manyetik alan uygulanması halinde her yöne yönelemeyeceği ve ancak manyetik alan doğrultusu üzerinde izdüşümü tam sayı değerler alacak şekilde yönelebileceğini ve presesyon hareketini bu şekilde yapabileceğini ileri sürdü. Buna uzay kuantizasyonu adını verdi. Burada manyetik moment ya da manyetik dipol moment atomun mıknatıslığını gösteren fiziksel niceliktir. Klasik elektrodinamiğe göre yörüngedeki elektronlar gibi hareketli yükler manyetik alan meydana getirir; elektronların yörüngesel hareketleri atoma mıknatıslık özelliği kazandırır. Somerfeld’in burada esas amacı, Zeeman olayının kuantum teorisine dayalı bir açıklamasını yapmaktı. Sternve Gerlach, 1921’de gümüş atomlarından oluşan demeti homojen olmayan bir manyetik alandan geçirerek arka tarafta bıraktıkları izleri incelediler (Homojen bir manyetik alan net bir alan gradyenti; yöne bağlı potansiyel enerji değişimi,  oluşturamayacağı için atomik manyetik dipol momentlere net bir kuvvet uygulayamaz deney bu şekilde yapılamazdı, manyetik dipol momentlerin yönelimi tespit edilemezdi). Arkadaki ekran-plaka üzerinde iki ayrık şeride benzer iz tespit edildi. Eğer atom magnetik momenti kuantize olmamış olsaydı, magnetik moment uzayda rasgele her yöne yöneleceğinden, manyetik alandan geçen demet ekranda kalın düz bir iz bırakması gerekirdi. O yıllarda, bu önemli deneyin sonucu, uzay kuantizasyonun direkt ispatı olarak görüldü. Burada dikkate alınması gereken nokta, Sommerfeld’in teorisinde dejenerasyon, uzay kuantizasyonunda yönelimlerin sayısı, modern kuantum mekaniğinde olduğu gibi açısal momentum kuantum sayısının iki katının bir fazlası değil, iki katıydı. Sommerfeld’in teorisinde yörünge kavramı olduğu için manyetik kuantum sayısı sıfır değeri alamazdı. Alırsa, atom çekirdeğiyle elektron çarpışır diye düşünülüyordu. Bu nedenle bu deneyle ilgili her şey yolunda gibi görünüyordu. Toplanan bulutlar dağılır gibi oldu.

Fakat ortada yanıt bekleyen sorular hala duruyordu; alkali metallerin spektrumlarındaki dubletler ve toprak alkali metallerin spektrumlarında bulunan singlet ve triplet yapıların esas kaynağı ne idi? Tabii anormal Zeeman olayı da bir kenarda gizemini koruyordu. Sommerfeld* 1920’de tam fiziksel ve geometrik bir temellendirme olmadan,  bir iç kuantum sayısı öne sürdü. Bu iç kuantum sayısı dubletler için iki, tripletler için üç değer alıyordu. Landé, 1921’de atomik kor model çerçevesinde bu iç kuantum sayısına bir anlam verdi. Atomik kor model Landé, Heisenberg, Bohr ve Pauli tarafından ayrıntılı hale getirilerek 1924’e kadar gündemde tutuldu. Bu modele göre valans elektronları hariç iç yörüngelerdeki elektronlar ve çekirdek bir kor meydana getiriyor ve açısal momentumu tam değerler alıyordu. Ayrıca valans elektronları bundan farklı bir açısal momentuma sahip ve azimutal kuantum sayısı ile belli değerler alabiliyordu. Atomik kor model multipletleri açıklamakta başarılı olmuştu. Çünkü bugün modern kuantum mekaniğinde bilinen spin-yörünge kuplajının provası elektron-kor kuplajı idi. Tabii ki spin kavramının kuantum teorisine girdirilmesinden sonra atomik kor hiçbir rol oynamamıştır. Ancak atomik kor model Bohr’un periyotlar cetvelindeki elementlerin atomik yapısını açıklamak için öne sürdüğü inşa prensibiyle (Aufbauprinzip) çelişiyordu. Eğer alkali metallerde sıfırdan farklı bir kor açısal momentumu varsa, soygazlarda da olmalıydı. Çünkü inşa prensibine göre alkali metallerin koru soygazlardı. Eğer soygazlar sıfırdan farklı bir açısal momentuma sahip ise spektrumlarında multipletlerin gözlenmesi gerekirdi ancak böyle bir şey yoktu. Neticede Bohr’un inşa prensibinin kendi içinde çelişen yönleri de vardı. İnşa prensibinin esası mekanikteki adyabatik yaklaşımın mekanik olmayan tarzda genelleştirilmesinden ibarettir. Adyabatik yaklaşım şunu ifade eder: Fiziksel sistemin parametrelerindeki küçük değişiklikler sistemin fiziksel durumunda büyük değişiklikler meydana getirmez. Periyotlar cetvelindeki her element bir önceki elemente bir elektron eklenmesiyle oluşmaktadır. O halde eklenen bir elektron kor olarak görülen önceki elementin elektrik alanında büyük bir değişiklik yapmaz.

Sonuç olarak, içte kalan bağlı elektronların fiziksel durumlarını temsil eden kuantum sayılarının değişmez kalması gerekir. İşte bu değişmezlik (fizikte buna invaryans denir) ve kalıcılık Bohr’un inşa prensibinin özünü teşkil eder. Şimdi bu şemaya göre periyotlar cetvelinde soygazlara bakacak olursak örneğin neondan argona geçerken neonun ikinci kabuk-yörüngesi üzerine ikinci kabuk kapanarak sekiz elektron eklenerek argon meydana gelmiştir. Argonun tüm dış elektronları üçüncü kabuktadır. Bu şekilde devam edilirse argon üzerine de on sekiz elektron eklenerek kriptonun meydana gelmesi gerekirdi. Bu durumda kriptonla birlikte üçüncü kabuğun da kapanması gerekirdi. Ancak durum böyle cereyan etmemiştir. Kriptonla üçüncü kabuk kapanmamış, üçüncü kabuk açılarak buraya elektronlar yerleşmiş diğer dış elektronlar da dördüncü kabukta yer almıştır. Benzer keyfi kabuk açılımları dördüncü ve beşinci periyotlarda da vardı. Yani işler Bohr’un prensibine göre gitmiyordu. Bununla beraber, bu prensibe göre hafniyum elementinin varlığı tahmin edilmiş ve keşfedilmiştir. Sonuçta inşa prensibi tamamen başarısız değildi. Fakat çıkan ani rüzgar kapkara bulutları yoğunlaştırmış, hafif hafif atıştırmaya başlamıştı.

Zeeman olayının bazı fenomenolojik açıklamalar dışında 1921’e kadar tutarlı bir açıklaması yapılamadı. Landé, magnetik kuantum sayısı dolayısıyla iç kuantum sayısı yarım tam değerler alırsa dubletlerin teorik olarak açıklanabileceğini öne sürdü. Ancak bu öneri açısal momentumun tam sayı değerler aldığı Bohr-Sommerfeld teorisine ve Bohr inşa prensibine tersti. Ayrıca X-ışınlarının dubletlerinin izahı için açısal momentum sadece tam değerler almalıydı. Landé, deneyden yola çıkarak açısal momentumun manyetik alan üzerindeki izdüşümünü belirleyen manyetik kuantum sayısının önüne gelen, bugün Landé g-faktörü dediğimiz bir çarpan icat etti. Bu sayı tam ve yarım-tam sayı değerler aldığında gözlenen multipletleri açıklanabiliyordu. Landé, g-faktörü için deneysel bir formül de geliştirdi. Burada manyetik kuantum sayısı ve g-faktörünün çarpımı aslında kor açısal momentumu ve valans elektronunun açısal momentumlarının toplamının magnetik alan doğrultusu üzerine izdüşümüdür. Buna göre, elektron manyetik momenti magnetik alan doğrultusu etrafında bir defa presesyon hareketi yaparken kor magnetik momenti iki defa yapmalıydı. Halbuki Larmor teoremine göre, yük bölü kütle oranı aynı olan tüm parçacıkların magnetik alan doğrultusu etrafında aynı presesyon frekansına sahip olması gerekiyordu. (İrlandalı fizikçi Larmor elektron daha keşfedilmeden elektronun varlığından 1894 gibi erken dönemde bahseden kişiydi.) Bu sonuca göre, ya Larmor teoremi yanlıştı ya da atomik kor model yanlıştı.

Hafif yağmur fırtınayla karışık sağanağa dönüşmüş, göz gözü görmüyordu. Bu sıralarda Bohr, valans elektronları ile korun alt kabuklarındaki elektronların etkileşebileceğine dair bir hipotez öne sürdü. Bu hipotez eşliğinde bir koşul getirerek bir teori kurdu, buna göre iç kuantum sayısı ve manyetik izdüşüm kuantum sayısının yarım tam değerler alması inşa prensibini bozmuyordu ancak periyodik sistemlerin kuantizasyonunda problem çıkıyordu. Bohr’a göre, elektron serilerinin atomik kora göre yörünge yönelimlerinin iç kuantum sayıları için tam değil bir bölü iki gibi bir değer alması gerektiğini öne sürdü. Bohr’un görüşünden ilham alan Heisenberg, 1921’de valans elektronlarının kor elektronlarıyla açısal momentum paylaşımı yapabileceği sofistike bir atomik kor model geliştirdi. Bu şekilde, alkali metallerdeki dubletleri ve Zeeman yarılmalarını açıklayabiliyordu ancak bunu Larmor teoremini, Bohr-Somerfeld kuantizasyon koşulunu ve Somerfeld uzay kuantizasyonun ihlal ederek yapıyordu. Şimşekler çakıyor bir an karanlık aydınlanıyor sonra gök gürültüsüyle tekrar karanlık geceye hakim oluyordu. Mevcut gelişmeleri dikkate alan Pauli, 1923 yılı sonlarına doğru yörüngesel açısal momentumun, valans ve kor ayrımı yapmadan, tek bir kuantum sayısı ile temsil edilemeyeceğini bunun için bir çift sayı gerektiğini fikrini ortaya attı. Buna açısal momentumundaki iki katlılık (Zweideutigkeit) dedi. Bu kavramı kullanan Heisenberg, iç kuantum sayısının yarım tam değerler alabileceğini gösteren ikinci bir atomik kor model geliştirdi. Ancak bu model de Larmor teoreminin başarısızlığını ve de yarım tam değerlerin kaynağını tam olarak aydınlatamıyordu. Tatmin edici olmaktan uzaktı. Pauli, 1923 yılından başlayarak Zeeman ve Pashen-Back (güçlü manyetik alanda Zeeman yarıklarının ortadan kalkarak çizgi sayısının azalması) olayının ayrıntılı bir analizinin yaptıktan sonra dikkatini Larmor teoremi üzerine yoğunlaştırdı. Electronun rölativistik hareketi dikkate alındığında Larmor frenkasında, çok elektronlu atomlarda, Z atom numarasına bağlı farklılık olabileceğini düşündü. Hesapları tamamladığında, istediği tatmin edici sonuca ulaşamadı. Bu alanda yaşanan, Heisenberg, Landé, Pauli ve Bohr arasında geçen, burada aktarılamayacak kadar uzun tartışma, tefekkür ve teknik detayların ele alınmasından sonra, Pauli 1925 yılı başlarında nihayet şöyle bir sonuca vardı: Alkali metallerdeki dubletlerin varlığından ve Larmor teoreminin başarısızlığından valans elektronlarının sahip olduğu klasik olarak açıklanamayacak kuantum teorisiyle ilgili iki katlılık özelliğinden kaynaklandığını ileri sürdü.

Yağmur durmuştu, bulutlar dağılıyordu, artık gün ağarmaya doğru gidiyor, karanlık yerini maviliğe bırakmaya başlıyordu. Yine Pauli, 1925 yılı başlarında Landé’nin çalıştığı Tübingen’deki enstütüyü ziyaret eder. Bu sırada orada bulunan Kronig Pauli’nin fikrini öğrenerek, elektronun kendi ekseni etrafında dönmesinden kaynaklanan bir magnetik momenti olabileceğini düşünerek aceleyle elektron magnetik momentini hesaplar. Ayrıca proton elektrik alanını rölativistik olarak (Lorentz dönüşümü ile) elektron referans sistemine taşıyarak oradan bunun manyetik alan olarak görüleceğini ve elektron spin magnetik dipol momenti ile yörüngesel magnetik dipol momenti arasında bir kuplaj olacağını öngörür. Yaptıklarından Pauli’ye bahsettiğinde, doktorasını yeni bitirmiş çömez Kronig, yarıklasik teorilerden hoşlanmayan Pauli’nin alaycı, tepeden bakan eleştirilerine maruz kalır ve cesareti kırılır; yaptığı her şeyi bir kenara bırakır (Pauli’nin acımasız eleştiri ve tenkitlerinden çok fizikçi nasibini almıştır; belki bu nedenle popüler fizik tarihiyle ilgili eserlerde  kendisinden pek bahsedilmez). Halbuki sonradan anlaşılır Kronig’in bakış açısı ve yaptıkları doğrudur. Birkaç ay içerisinde Pauli dışarlama ilkesi (Ausschliessungsregel) ile ilgili makalesini yayınlar: Çok elektronlu bir atomda aynı kuantum halinde birden fazla elektron bulunamaz. Aynı yıl içerisinde elektron spini Hollandalı iki fizikçi Goudsmit ve Uhlenbeck  tarafından bir kısa makale ile postule edilir. Artık güneş yavaşça yükselmektedir. Elektrona spin denen bir iç serbestlik derecesinin atanması ile elektronun bireysel bir dipol manyetik momenti, mıknatıslık özelliği vardı. Bu, şu demekti: Elektronun bireysel mıknatıslığı ile yörüngesel hareketinden kaynaklanan mıknatıslığı etkileşebilirdi. İşte bu durum, spektrumlarda yer alan çoklu ince yapı yarılmalarının kökenini açıklamakta idi. Bugün spin-yörünge etkileşmesi denmektedir. Atoma dışarıdan uygulanan alanla yörüngesel manyetik dipol momenti ve spin manyetik dipol momentle etkileşmesi, valans elektronları toplam spini sıfır ise normal Zeeman olayına; sıfırdan farklı ise anormal Zeeman olayına neden olmaktadır.

Güçlü manyetik alanlarda yörüngesel manyetik dipol moment ile spin manyetik dipol moment arasındaki kuplajın kalkması ile bireysel presesyonları, Zeeman multipletlerinin ortadan kalkmasıyla Pashen-Back olayına açıklama getiriyordu. Pauli dışarlama ilkesi ışığında bakınca da, elektronların sahip olduğu spin periyotlar cetvelindeki çok elektronlu atomların elektronik düzenlerini anlamaya yardımcı oluyordu. Fakat güneş daha tam tepede değildir. Yukarıda söz ettiğimiz ince yapı ve Zeeman yarılmalarında ortaya çıkan durum, 1926’da formüle edilen kuantum mekaniğinin temelini teşkil eden Schrödinger denkleminin çözümleriyle izah edilebilmektedir. Ancak Schrödinger denkleminin çözümleri enerji dejenerasyonunu açısal momentum kuantum sayısının iki mislinin bir fazlası olarak vermektedir. Dolayısıyla Sommerfeld’in sözünü ettiği uzay kuantizasyonu, yeni kuantum teorisine göre tek tam sayı kadar olabilirdi. Sonuç olarak Stern-Gerlach deneyindeki gibi çift sayıda bir yarılma olamazdı. Bu durum Schrödinger’in geliştirdiği kurama karşı kuşku uyandırdı. Burada esas mesele şu idi, gümüş atomları son yörüngesindeki valans elektronu yörüngesel açısal momentumu sıfır kabul edilirse spin magnetik kuantum sayısı, bir bölü iki tam deneydeki gibi ikiyi vermektedir (iki çarpı bir bölü iki artı bir eşittir iki). Fakat vadi o kadar yeşil, güneşte o kadar parlak olmayabilirdi. Ya atomik kor modeldeki manyetik momenti ile valans elektronu kuplajı söz konusu durumdan sorumlu ise? Bu durumda koru olmayan tek elektronlu hidrojenle bu deneyi yapmak tek çıkış yolu idi. İşte, bu deney 1927’de Phipps ve Taylor tarafından yapılarak gümüş atomundaki durum elde edildi. Schrödinger kuramı doğru idi ve kapalı kabuklar üzerindeki elektronlara kapalı kabuklardaki elektronların etkisi yoktu veya büyük oranda etkisi yoktu. Fiziksel ve kimyasal özellikleri belirleyici değildi; atomik kor model tarihin çöplüğüne atılmalıydı. Burada enson Schrödinger’in teorisinin spinle uyumlu olduğu ancak spin’in mevcudiyetini veremediği için ayrı bir postulaya ihtiyaç duyulduğunu belirtmek gerekir. 1928’de Dirac, Schrödinger gibi aynı prensiplerle fakat rölativite teorisini de dikkate alan bir kuantum teorisi geliştirdi. Dirac, geliştirdiği teori ile elektronun yukarıda anıldığı gibi kendine has bir açısal momentuma ve manyetik momente sahip olduğunu gösterdi. Böylece, elektron spini resmi teorik bir temele oturmuş oldu. Güneş artık tam tepedeydi tüm ihtişamı ile parlıyordu, vadideki ağaçların fırtınada bazı dalları kırılsa da yemyeşil  yapraklarının ucundan dün geceki yağmurdan kalma damlalar süzülüyordu, bir ışıltı ile…

Sonuç olarak spin icat edilmiş fiziksel bir kavramdır; makroskobik dünyamızda herhangi bir karşılığı yoktur. Bir elektronun spini dönme hareketi gibi tasvir edilirse ancak 720 derecelik dönmeden sonra eski halini almaktadır. Ancak bu kavram, atom fiziğindeki o zamanki hemen tüm problemlere bir ışık tutarak çözüm getirmiştir. Ayrıca kuantum mekaniğinin ilerlemesinde lokomotif görevi yüklenmiştir. Demek ki, yeni bilim için yeni kavramlara ihtiyaç vardır. Fakat öncelikle yeni kavramlara ihtiyaç duyacak derinlikte bilimsel işlere girişecek çaba ve cesarete ihtiyaç vardır. Sürekli satıhta kalınırsa hep aynı yerde kalınır; Kuhn’un deyimiyle olağan bilim yapılır.

İkincisi, yukarıda büyük bir resmin küçük bir parçası özetlenmeye çalışıldı. Bu özet, bilimde ilerleme için deney ve gözlemin değerini ve rehberliğini kanıtlıyor. Pek çok eserde sunulduğu gibi, kuantum mekaniği bir küçük teorik fizikçi gurubunun adeta tümdengelimle kurguladığı bir kuram değildir. Eski kavramların yeni deneysel ve spektroskopik verileri açıklamadaki aciziyeti görülerek yeni kavramlarla yeni teori icat edilmiştir. Deney ve gözlem tarafından desteklenmeyen teoriler ayakta duramaz; sadece teorik argümanlar ve matematiksel tutarlılık yeterli değildir. Bir teori yeterince deneyin ve gözlemin olmadığı bir alanda öne sürülebilir. Bu durumda da, ilgili teorinin kendisini test ettirecek deneysel ve gözlemsel tahminlerde bulunması gerekir. Popper’in deyimiyle yanlışlanabilir olması gerekir. Fizikte deneysel desteği olmayan, takyon teorileri ve de manyetik monopoller buna örnek verilebilir. Son zamanlarda da teorik fizikte yaklaşık 1970’lerden bugünlere kadar halen makalelerin yazıldığı üzerinde çalışılan süpersimetrik alan teorileri ve süpersicim teorileri ile ilgili deneysel bir kanıt bulunabilmiş değildir. Bu yazıyı Heisenberg’in deney ve teori arasındaki ilişkiye ışık tutan sözü ile bitirmek isteriz: Bir teori (deneyle uyumlu) doğru bir sonuç veriyorsa hala yanlış olabilir, fakat (deneyle uyumsuz) yanlış bir sonuç veriyorsa asla doğru olamaz.

*Sommerfeld, günümüz fizik kitaplarında ismi pek geçmeyen, 20. yüzyılın, en büyük alimlerinden biridir. Aktif olduğu dönemde başta Almanya olmak üzere tüm Avrupa’dan, pek çok  kişiye doktora yaptırmış, bunların tamamına yakını kendi alanında meşhurlar arasına girmiştir. Kendisi tam seksen dört defa Nobel’e aday gösterilmiştir (bu rekor hala geçilememiştir). Ancak Nobel kazanmaya ömrü vefa etmemiş 1951’de  elim bir trafik kazası ile hayatını kaybetmiştir. İlmi derinliği için şöyle bir örnek vermek yerinde olur, (1897-1910) yılları arası matematikçi Klein’la birlikte yazdıkları, fazla bilinmeyen, sadece topaç hareketinin mekaniğini anlatan, eserin Almanca orijinali dört kalın ciltten oluşmaktadır.