Опыт Штерна—Герлаха

Можно экспериментально доказать, что атомы и элементарные частицы обладают магнитными спинами, которые квантуются.

Многие субатомные частицы обладают собственным угловым моментом (см. Закон сохранения момента импульса), который назвали спин. Обладающая электрическим зарядом и спином элементарная частица (например, электрон или протон) может, в таком случае, быть представлена в виде микроскопического циркулярного тока, который, в свою очередь, производит магнитный момент, связанный со спином, и заряженная частица ведет себя еще и как микроскопический магнит. Итак, и атомы, и элементарные частицы должны производить магнитные поля: первые — в силу циркуляции электронов на орбитах; вторые — в силу присущего им спина.

Разумно предположить, что северный и южный полюса этих атомных и субатомных магнитов могут быть ориентированы произвольным образом. Постулаты квантовой механики, однако, такого произвола не допускают. Подобно всем иным свойствам частиц в мире квантовой физики, направление магнитного спина квантуется: во внешнем электромагнитном поле он может принимать только направления, относящиеся к фиксированному набору. Отто Штерн и Вальтер Герлах в 1921 году как раз и провели опыт, позволивший экспериментально подтвердить как наличие у атомов спина, так и факт его пространственного квантования.

В основе их экспериментальной установки лежал мощный постоянный магнит, между близко расположенными полюсами которого образовывалось сильно неоднородное магнитное поле. Под воздействием такого поля частица, обладающая собственным магнитным моментом, обязана отклоняться в направлении, зависящем от ориентации ее магнитного спина.

Если бы атом управлялся законами классической механики Ньютона (то есть, квантования спинов не наблюдалось бы), полюса микроскопических магнитов были бы ориентированы хаотичным образом, и они отклонялись бы во всевозможных направлениях. Где бы позади магнита мы ни разместили датчики, какие-то атомы обязательно отклонялись бы в этом направлении и попадали на них. Если же верна квантово-механическая гипотеза, и спины атомов и частиц квантуются, они будут отклоняться лишь в «разрешенных» направлениях и на разрешенные углы.

В исходном эксперименте исследовались свойства именно атомов (сначала серебра, а затем и других металлов. — Прим. переводчика), и атомы некоторых веществ, как выяснилось, вообще отклоняются лишь в двух направлениях (условно говоря, «вверх» или «вниз» в зависимости от ориентации их магнитного спина «на север» или «на юг»). Позже уже одному Штерну удалось получить аналогичные результаты и для пучков протонов и электронов. Тем самым, этот опыт стал одним из главных подтверждений правильности постулатов квантовой механики.

Отто ШТЕРН
Отто ШТЕРН
Otto Stern, 1888–1969

Немецкий, затем американский физик. Родился в Зохрау (современный г. Жоры, Польша). Окончил Университет в Бреслау (современный Вроцлав). В 1921 году переехал во Франкфурт, где познакомился в уроженцем этого города и сотрудником местного университета Вальтером Герлахом (Walter Gerlach, 1889–1979), вместе с которым они в том же году и провели прославивший их опыт. В качестве профессора физической химии Гамбургского университета Штерн изучал магнитные свойства элементарных частиц, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1943 году. К тому времени Штерн уже 10 лет жил и работал в Технологическом институте Карнеги в Питтсбурге (США), ведущим сотрудником которого оставался до конца своих дней.


6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • kyaw  | 07.06.2005 | 15:56 Ответить
    i want to know Опыт Штерна-Герлаха .and his story.
    Ответить
  • Александр Кушелев  | 13.08.2005 | 16:20 Ответить
    Мне хотелось бы провести модифицированный опыт Штерна-Герлаха, в котором атомный пучок отодвинут от плоскости симметрии магнитного поля на первом и втором магнитах.

    Я ожидаю, что в этом случае дочерний пучок перестанет расщепляться, что продемонстрирует работоспособность классической физики в масштабах микромира.

    Подробности: http://217.122.116.6/nanoworld/20041130/forum/astronom/as_p_019.htm

    Кто подскажет, в каком ВУЗе есть установка для повторени опыта Штрена-Герлаха?

    Желательно продублировать по email: nanoworld2003#yandex.ru (# -> @)
    Ответить
    • Александр Кушелев > Александр Кушелев | 10.02.2006 | 21:22 Ответить
      Кушелев: -В процессе обсуждения были созданы макроскопические магнитные модели разных изомеров атома серебра. Модельный эксперимент показал, что достаточно снизить скорость атомов в оригинальном опыте Штерна-Герлаха, и пучок перестанет расщепляться.

      Подробности: http://nanoworld.pointclark.net/nanoworld/forums_copy/rassylka/index.htm
      Ответить
      • fatyalink > Александр Кушелев | 06.01.2010 | 03:26 Ответить
        Ширина пучка не является строго единичной (один атом). Атом является магнитом или намагничивается при пролете и в пучке ориентация при пролете любого по степени однородности поля распределена хаотически и в среднем может быть даже равномерна. Следовательно, притяжение к разным полюсам тоже должно происходить равномерно. Отсюда и симметричное расположение компонент. В поле магнита большинство атомов будет выправлять ориентацию к ближайшему полюсу, то есть ориентироваться соответствующим полюсом к ближайшему полюсному наконечнику и будет к нему притягиваться. Современная феноменология постоянных (да и вообще) магнитов совершенно не учитывает краевого эффекта у полюсных наконечников. На острых кромках (периферия полюсного наконечника) силы притяжения или отталкивания более значительны, чем в центральной плоской поверхности полюсного наконечника. Кстати, такой же эффект имеется и в электростатике.
        Есть две схемы проведения опыта.
        В первой пучок пролетает между заостренным и плоским наконечниками магнита.
        Острых кромок две: при входе и при выходе. В результате имеем две компоненты.
        Если увеличить ширину пролета, автоматически увеличим и время пролета и уменьшим скорость. Тогда не получим ни одной пары.
        Если вместо второго плоского полюса использовать острый наконечник, тоже не получим ни одной лишней компоненты. По этому-то так и стремились получить запрограммированную неоднородность поля. При одинаковой форме наконечников краевой эффект сказываться не будет. Опять же играть можно и силой магнита.

        Во второй схеме пучок пропускался вдоль длинных полюсных наконечников. Один из них острый, а противоположный наконечник выполнен с прямоугольной канавкой посредине.
        И до чего же хитро сделано. Пучок проходит в 5 раз ближе к острой грани верхнего наконечника, чем к граням нижнего. Что получается: на входе в магнит имеем три острых места, а на выходе тоже три. Но при этом за счет близости к верхнему наконечнику, «правильно» к нему ориентированные атомы до конца не долетают. Во как!!! И получаем вместо 3-х два острых места. В итоге имеем искомых ПЯТЬ компонент.
        Выходит намеренно навели тень на плетень!!! И что самое интересное, магнитный поток во втором случае практически как раз однороден.

        Под углом ко входящему потоку расположил такие наконечники (разинув пасть) и три компоненты с превеликим удовольствием. Поближе сдвинул, вообще ни одной.

        http://katastrofy-phisics.narod.ru/gerlah.html

        резкая критика опыта Рудневым.

        автор правильно подметил время взаимодействия атома с полем, и дело еще и в этой квадратной выемке с двумя горбами. Отсюда именно растут ноги.

        Выводы: опыт решительно ничего не доказывает. Наоборот, является явной выдачей желаемого за действительное. Существование спина электрона таким образом под сомнением. И это еще мягко сказано.
        Ответить
        • a_b > fatyalink | 05.09.2012 | 11:21 Ответить
          автор (Руднев) НЕправильно подметил время взаимодействия атома с полем
          Вот какая беда.
          Ответить
          • fatyalink > a_b | 14.08.2013 | 20:50 Ответить
            это не беда руднева, это беда науки в целом, у электрона есть магнитный момент, а он во всех опытах к полюсам магнита не летит....беда и с позитроном. тоже не летит. а опыт - гамма квант--и пара, где оба к полюсам не летят, а просто в сторону уходят..... и как оно с моментом быть? выходит, и его нет.
            Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»