Lo spin dell’elettrone fu scoperto sperimentalmente da due scienziati tedeschi, Otto Stern e Walter Gerlach, nel 1920, sfruttando il fatto che le cariche elettriche in movimento generano un campo magnetico, per cui un elettrone in rotazione dovrebbe comportarsi come un magnetino lineare.

Stern e Gerlach nel loro esperimento (rappresentato in figura) eliminarono l’aria da un contenitore instaurandovi poi un campo magnetico fortemente disomogeneo. A questo punto lanciarono un fascio sottile di atomi di argento indirizzandolo verso un rivelatore. Per ragioni che saranno spiegate nel paragrafo 1.13, l’atomo di argento possiede un unico elettrone spaiato, mentre gli altri 46 sono appaiati. Di conseguenza, l’atomo si comporta come un unico elettrone spaiato in moto su una piattaforma pesante, che altro non è se non il resto dell’atomo.

Se l’elettrone in rotazione si comportasse come una sfera rotante, l’asse di rotazione potrebbe presentare qualsiasi orientazione, e l’elettrone si comporterebbe come un magnete lineare pronto ad assumere qualsiasi orientazione rispetto al campo magnetico esterno. In questo caso sul rivelatore dovrebbe comparire una banda ampia di atomi d’argento, in quanto il campo eserciterebbe la sua spinta in misura diversa a seconda dell’orientazione dello spin. Fu proprio quello che Stern e Gerlach osservarono al loro primo tentativo.

Ma i risultati iniziali furono ingannevoli. L’esperimento è arduo, perché nel raggio gli atomi si urtano a vicenda, sicché un atomo che si muove in una certa direzione può essere sbalzato dagli altri in una direzione differente. Quando Stern e Gerlach ripeterono l’esperimento, si servirono di un raggio atomico assai meno denso, riducendo, di conseguenza, il numero degli urti interatomici. Questa volta essi registrarono due sole bande sottili. Una di esse era costituita dagli atomi che si muovevano lungo il campo magnetico con una certa orientazione dello spin, l’altra da atomi con orientazione opposta. Le due strette bande confermavano quindi che in effetti l’elettrone possiede uno spin, e che questo può assumere due sole orientazioni.

Lo spin elettronico costituisce il fondamento della tecnica sperimentale detta risonanza paramagnetica elettronica (EPR), applicata per studiare struttura e moto delle molecole e degli ioni in possesso di elettroni spaiati. La tecnica consente di rivelare l’energia necessaria a far cambiare lo spin degli elettroni da un’orientazione all’altra. Come l’esperimento di Stern e Gerlach, questa tecnica ha esito positivo solo se applicata a ioni e molecole in possesso di elettroni spaiati.