In 1925 ontdekten de fysici George Uhlenbeck en Samuel Goudsmit in Leiden een tot dan toe onvermoede eigenschap van elektronen. De deeltjes bleken in twee richtingen te kunnen ‘tollen’. Later noemden wetenschappers dat de ‘elektronenspin’.
George Uhlenbeck
Samuel GoudsmitDe wereld van de elementaire deeltjes is iets waar weinig mensen zich een voorstelling van kunnen maken. Daarom is het ook bijzonder dat fysici steeds weer nieuwe eigenschappen van die microwereld weten te ontsluieren. Eén van de belangrijkste ontdekkingen deden George Uhlenbeck, die in zijn studententijd nog een jaar leraar was geweest aan het Leidse Stedelijk Gymnasium, en Samuel Goudsmit in 1925. Toen ontdekten zij in Leiden de elektronenspin.
Die doorbraak begon met het idee dat de elektronen niet alleen om de atoomkern draaien, maar ook om hun eigen as, net als de planeten in het zonnestelsel. Met dat idee stapten George Uhlenbeck (1900-1988) en Samuel Goudsmit (1902-1978) naar hun leermeesters Hendrik Antoon Lorentz en Paul Ehrenfest. Ze stuurden bovendien razendsnel een artikel met hun idee naar een internationaal vakblad.
Lorentz bleek het idee van een draaiend elektron maar niks te vinden. Uhlenbeck en Goudsmit probeerden hun artikel terug te trekken, maar waren laat, het lag al in de drukpers. Ook Ehrenfest bleek er niet in te geloven, maar verklaarde geruststellend: ‘Sie sind beide jung genug um sich eine Dummheit leisten zu können’, oftewel: jullie zijn beiden nog jong genoeg om je een stommiteit te kunnen permitteren.
De ontdekking bleek echter allesbehalve een stommiteit. Einstein en Heisenberg werden spoedig voor het idee gewonnen, vooral toen bleek dat forse problemen in de nog jonge theorie van de quantummechanica door de elektronenspin moeiteloos werden opgelost.
De ontdekking van de elektronenspin was zo belangrijk dat dit normaal gesproken een Nobelprijs had opgeleverd. Vaak hangen wetenschappelijke ontdekkingen echter al ‘in de lucht’. Helaas voor Uhlenbeck en Goudsmit bleek dat een Duits-Amerikaanse onderzoeker, Ralph Kronig, hetzelfde idee had willen publiceren.
In zijn geval werd die publicatie echter wel effectief geblokkeerd, door de zeer invloedrijke Zwitserse natuurkundige Wolfgang Pauli. Het Nobel Comité had in dat geval de prijs aan alle drie moeten toekennen (drie geleerden per prijs is het maximum), maar door de merkwaardige situatie besloot men echter voor de ontdekking van de elektronenspin de prijs maar helemaal niet toe te kennen.
Hoewel de elektronenspin klinkt als een puur theoretische bespiegeling, bleken de praktische gevolgen enorm. Dankzij de elektronenspin begrijpen we tegenwoordig veel beter hoe het periodiek systeem der elementen – de tabel met daarin alle atomen die bestaan – in elkaar zit. De elektronenspin speelt daarom een grote rol in chemische en medische analysemethoden en wordt gebruikt bij de bouw van atoomklokken, de meest nauwkeurige klokken ter wereld.
De doorbraak bleek bovendien van gigantisch belang voor de quantummechanica. Hij zorgde er onder meer voor dat fysici tegenwoordig in laboratoria kunnen sleutelen aan een zogeheten quantumcomputer – een rekenbeest dat naar verwachting heel veel sneller kan rekenen dan de huidige generatie computers.
In die quantumcomputers gebruiken de onderzoekers die spin – het draaien om de eigen as – als informatiedrager. In computers wordt informatie opgeslagen in binaire getallen, ‘nullen en enen’. Omdat een elektron twee ‘kanten’ op kan spinnen, die natuurkundigen voor het gemak ‘op’ en ‘neer’ noemen, kun je zo’n elektron ook gebruiken als informatiedrager. Daarbij is spin de ene kant op ‘nul’ en de andere kant op ‘één’.
Uhlenbeck en Goudsmit vertrokken voor het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog naar de Verenigde Staten en werden Amerikaans staatsburger. Goudsmit werd het wetenschappelijk hoofd van de ALSOS-missie van het Manhattanproject. Deze had tot doel om vast te stellen hoever nazi-Duitsland was gevorderd met de ontwikkeling van een atoombom. Daarna werkte hij als kernfysicus in Amerikaanse staatslaboratoria. Hij overleed in 1978 in Reno, Nevada.
Uhlenbeck volgde een meer ‘standaard’ academische loopbaan als hoogleraar aan verschillende Amerikaanse universiteiten. In 1979 ontving hij nog wel de prestigieuze Wolf Prize voor de Natuurkunde. Uhlenbeck overleed in 1988 in Boulder, Colorado.
