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為了說明堿金屬原子能級的雙層結(jié)構(gòu)，烏倫貝克與高德斯密特提出了一個想法，他們認(rèn)為：電子有某種稱為自旋的轉(zhuǎn)動。由于電子有轉(zhuǎn)動，以電子的觀點(diǎn)看，原子實(shí)就會繞著電子轉(zhuǎn)動，使帶有磁矩的電子感受到一個磁場，從而給電子帶來附加的能量。 用 s 標(biāo)記與這種轉(zhuǎn)動對應(yīng)的量子數(shù)，則自旋角動量應(yīng)該有2s+1個空間取向，不同的空間取向會獲得不同的附加能量。實(shí)驗(yàn)觀測到能級是雙層的，因此自旋有兩個取向。于是，與電子自旋對應(yīng)的量子數(shù)必定等于1/2。自旋角動量在空間中任意方向上的投影有兩個可能的取值： 電子自旋及其磁矩的存在，在史特恩—蓋拉赫實(shí)驗(yàn)中得到了直接的證實(shí)。但是，原先的實(shí)驗(yàn)用的是基態(tài)銀原子，軌道角動量有可能不等于0。因此，觀察到的磁矩就有可能來源于軌道運(yùn)動。1927年，用基態(tài)氫原子重復(fù)了史特恩—蓋拉赫實(shí)驗(yàn)。基態(tài)氫原子只有一個電子，軌道角動量為零。然而，實(shí)驗(yàn)同樣觀測到原子束通過磁場后分裂成兩束的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，基態(tài)氫原子也有磁矩，它在磁場中有兩種可能的取向。有人提出，這個磁矩有可能是由原子核的運(yùn)動引起的。但是，進(jìn)一步的分析否定了這種猜測。由于核的質(zhì)量是電子質(zhì)量的兩千倍，這導(dǎo)致核磁矩比電子磁矩要小三個數(shù)量級，因此，觀測到的磁矩不可能來源于原子核。這意味著基態(tài)氫原子的磁矩只能來源于電子本身，電子磁矩在磁場中只有兩種可能的取向。這結(jié)果說明，電子的內(nèi)部角動量所對應(yīng)的量子數(shù)是1/2，這就從實(shí)驗(yàn)上直接證實(shí)了電子自旋的假說。不過，烏倫貝克與高德斯密特關(guān)于電子自旋的假說明顯地帶有機(jī)械的性質(zhì)，而且，要使自旋磁矩達(dá)到一個玻爾磁子，電子自轉(zhuǎn)時表面的速率將達(dá)到光速的10倍！這明顯違背了狹義相對論。由于電子自旋假說成功地說明了復(fù)雜原子的光譜結(jié)構(gòu)，因此，盡管它帶有機(jī)械的性質(zhì)，人們還是很快就接受了自旋這個概念。1927年，泡利引入了能夠描寫電子自旋性質(zhì)的矩陣，把電子自旋的概念納入了量子力學(xué)的體系中。1928年，狄拉克把相對論的概念引入量子力學(xué)，建立了相對論量子力學(xué)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滿足相對論性波動方程(狄拉克方程)的粒子必定具有1/2的自旋。由此看來，電子自旋本質(zhì)上是一種相對論效應(yīng)，是電子自身固有的特性。因此，通常將電子的自旋角動量以及相應(yīng)的磁矩稱為內(nèi)稟角動量和內(nèi)稟磁矩。按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)，自旋和內(nèi)稟磁矩是標(biāo)志微觀粒子的重要物理量，是除了靜質(zhì)量與電荷之外，微觀粒子的另一個自由度。
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