Штерна-Герлаха опыт

Штерна—Герлаха опыт, опыт, экспериментально подтвердивший, что атомы обладают магнитным моментом, проекция которого на направление внешнего магнитного поля принимает лишь определённые значения (пространственно квантована). Осуществлен в 1922 О. Штерном и немецким физиком В. Герлахом (W. Gerlach), которые исследовали прохождение пучка атомов Ag (а затем и др. элементов) в сильно неоднородном магнитном поле (см. рис.) с целью проверки теоретически полученной формулы пространств. квантования проекции m_z на направление Z магнитного момента атома m_o: m_z = m_o m (т = 0±1,...).

На атом, обладающий магнитным моментом и движущийся в неоднородном вдоль Z магнитном поле Н, действует сила F= m_z дН/дZ, которая отклоняет его от первоначального направления движения. Если проекция магнитного момента атома могла бы изменяться непрерывно, то на пластинке П наблюдалась бы размытая широкая полоса. Однако в Ш.— Г. о. было обнаружено расщепление пучка атомов на 2 компоненты, симметрично смещенные относительно первичного направления распространения на величину D — на пластинке появлялись две узкие полосы. Это указывало на то, что проекция магнитного момента атома m_z на направление поля Н принимает только два отличающиеся знаком значения ±m_o, т. е. m_o ориентируется вдоль Н и в противоположном направлении. Величина магнитного момента атома m_о, измеренная в опыте по смещению D, оказалась равной Бора магнетону.

Ш.—Г. о. сыграл большую роль в дальнейшем развитии представлений об электроне. Согласно квантовой теории Бора — Зоммерфельда, орбитальный и, следовательно, магнитный моменты используемых в опыте атомов с одним электроном во внешней оболочке равны нулю, поэтому такие атомы не должны были бы вообще отклоняться магнитным полем. Ш.—Г. о., показавший, что эти атомы вопреки теории обладают магнитным моментом, а также другие более ранние эксперименты привели в 1925 Дж. Ю. Уленбека и С. Гаудсмита к гипотезе существования собственного механического момента электрона — спина.

37. Спин - специфический квантовый момент движения элементарной частицы (электрона, протона, нейтрона) или ядра атома.

где s – спиновое квантовое число.

Аналогично, проекция спина на ось z (L_sz) (ось z совпадает с направлением внешнего магнитного поля) должна быть квантована и вектор может иметь (2 s + 1) различных ориентаций в магнитном поле.

Из опытов Штерна и Герлаха следует, что таких ориентаций всего две: 2s+1=2, а значит s = 1/2, т.е. спиновое квантовое число имеет только одно значение.

Для атомов первой группы, валентный электрон которых находится в s- состоянии (l = 0), момент импульса атома равен спину валентного электрона. Поэтому обнаруженное для таких атомов пространственное квантование момента импульса в магнитном поле является доказательством наличия у спина лишь двух ориентаций во внешнем поле. (Опыты с электронами в p- состоянии подтвердили этот вывод, хотя картина получилась более сложной) (желтая линия натрия – дуплет из-за наличия спина).

Численное значение спина электрона:.

По аналогии с пространственным квантованием орбитального момента проекция спина квантуется (аналогично, как , то и ). Проекция спина на направление внешнего магнитного поля, являясь квантовой величиной, определяется выражением:

,

где – магнитное спиновое квантовое число, , т.е. может принимать только два значения, что и наблюдается в опыте Штерна и Герлаха.

Итак, проекция спинового механического момента импульса на направление внешнего

магнитного поля может принимать два значения:

Так как мы всегда имеем дело с проекциями, то говоря, что спин имеет две

ориентации, имеем в виду две проекции.

Проекция спинового магнитного момента электрона на направление внешнего магнитного поля:

.

Отношение – спиновое гиромагнитное отношение.