Опит Штерна і Герлаха
Опит Штерна і Герлаха. Оптичні експерименти дають цілком достатні докази квантування енергії атомів. Інший вид квантування – просторове квантування, яка затверджує дискретність проекції магнітного моменту атома на напрямок зовнішнього магнітного поля, демонструється експериментом з атомними пучками, виконаним О. Штерном і В. Герлахом в 1922 р
Для атома водню просторове квантування орбітального магнітного моменту описується формулою (5.42). Для більш складних багатоелектронних атомів ця формула трохи видозмінюється (див. Розділ 5.6). Однак і для таких атомів залишається в силі основний висновок квантової теорії: проекція магнітного моменту атома на напрямок зовнішнього магнітного поля може мати тільки дискретні квантові значення.
У досвіді Штерна і Герлаха просторове квантування для атомних систем демонструється наступним чином. Шляхом випаровування у вакуумній печі атомів срібла або іншого металу за допомогою тонких щілин формується вузький атомний пучок (А. П. на рис. 5.10а). Цей пучок пропускається через неоднорідне магнітне поле з істотним градієнтом магнітної індукції. Індукція магнітного поля в досвіді велика і спрямована уздовж осі.
З позицій класичної фізики, магнітний момент атомів внаслідок їх хаотичного теплового руху, при влетівши в магнітне поле може мати будь-який напрямок в просторі. Це відповідає безперервному розподілу значень для різних атомів і, відповідно, будь-яким різних відхилень атомів. В результаті, пролетіли через магніт атоми срібла мали утворити суцільну широку дзеркальну смугу на скляній пластинці.
Якщо ж, як пророкує квантова теорія, має місце просторове квантування, і проекція магнітного моменту атома приймає лише певні дискретні значення, то під дією сили (5.43) атомний пучок повинен розщепнутися на дискретне число пучків, які, осідаючи на скляній пластинці, дають серію вузьких дискретних дзеркальних смужок з напилених атомів. Саме цей результат спостерігався в експерименті.
Таким чином, досвід Штерна і Герлаха довів правильність висновків квантової теорії про наявність просторового квантування магнітних моментів атомів.
Спін електрона. З квантової теорії випливає, що внаслідок симетрії електронного “хмари” механічний і магнітний моменти атома, що знаходиться в основному, не збудженому стані, дорівнюють нулю. Отже, якщо в досвіді Штерна – Герлаха забезпечити умови, за яких в атомному пучку будуть рухатися незбуджені атоми, то такий атомний пучок не повинен розщеплюватися магнітним полем. Тому на скляній пластинці ми побачили б у центрі одну вузьку дзеркальну смужку.
Однак, експеримент не підтвердив такий висновок квантової теорії. Пучок збудженому атомів срібла розщепився на два пучки, які напилю на скляній пластинці дві вузькі дзеркальні смужки, зрушені симетрично вгору і вниз. Вимірювання цих зрушень дозволило визначити магнітний момент збудженого атома срібла. Його проекція на напрямок магнітного поля виявилася рівною або.
Це протиріччя квантової теорії і досвіду було не єдиним, виявленим до цього часу в різних експериментах. Таке ж відмінність спостерігалося при вивченні тонкої структури оптичних спектрів лужних металів. У дослідах з феромагнетиками було виявлено аномальне значення гіромагнітного відносини, що відрізняється від очікуваного значення (5.39) у два рази.
Всі ці труднощі квантової теорії були подолані, коли в 1925 р С. Гаудсміт і Дж. Уленбек висунули сміливу теорію про те, що сам електрон є носієм “власних” механічного і магнітного моментів, не пов’язаних з рухом електрона в просторі. Ця гіпотеза отримала назву гіпотези про спині електрона. Така назва пов’язана з англійським словом, яке перекладається як “кружляння”, “вертіння”.
Спочатку передбачалося, що спін обумовлений обертанням електрона навколо своєї осі. Однак, така модель обертового зарядженого кульки виявилася неспроможною. Перш за все, розрахунок показав, що ні за яких допустимих (тобто менше швидкості світла) швидкостях не можна обертанням електрона індукувати магнітний момент, рівний за величиною магнетону Бора. Крім того, величина гіромагнітного відносини власного магнітного і механічного моментів, розрахована для моделі обертового електрона, виявилася в два рази менше, ніж одержувана в дослідах.
Модель електрона, що обертається навколо своєї осі, як обертається Земля, рухаючись по околосолнечной орбіті, в даний час може використовуватися тільки при популярному викладі властивостей атома. Однак термін “спін” зберігся і є загальноприйнятим у сучасній квантовій фізиці.
З механічними моментами пов’язані магнітні моменти, які взаємодіють один з одним подібно до того, як взаємодіють два замкнутих струму. Ця взаємодія називається спін-орбітальним. Воно змінює повну енергію атома і, отже, у квантових станах з різними атом повинен володіти різними енергіями. Така відмінність у енергіях призводить до розщеплення ліній в оптичному діапазоні атома. Це розщеплення дуже мало. Воно зумовлює тонку структуру оптичного спектра атома водню, в якій спектральні лінії спостерігаються як дублетні (подвійні). І хоча відстань між лініями тонкої структури в сотні тисяч разів менше відстаней між основними лініями, тонка структура водневого спектра була виявлена??експериментально за допомогою спектральних приладів з великою роздільною здатністю.
Яка ж фізична природа наявності у електрона спина? Відповіді на це питання немає не тільки до класичної фізики, а й рамках нерелятивістської квантової механіки, в основі якої лежить рівняння Шредінгера. У такій теорії спін вноситься у вигляді додаткової гіпотези, що не витікає з основних положень теорії, але необхідної для узгодження експерименту і теорії.
У 1928 р П. Дирак узагальнив квантову теорію на випадок релятивистского руху частки. В основі релятивістської квантової механіки лежить рівняння Дірака, записане спочатку для релятивістського електрона. Це рівняння значно складніше рівняння Шредінгера за своєю структурою і математичного апарата, використовуваному при його записи. В рамках нашого курсу ми не маємо можливості обговорювати це рівняння. Скажемо лише, що з рівняння Дірака четверте, спінові квантове число виходить так само природно, як і три квантових числа при вирішенні рівняння Шредінгера.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)