Do¶wiadczenie Sterna-Gerlacha

DO¦WIADCZENIE STERNA-GERLACHA

Opracowana teoria przestrzennej kwantyzacji spinowego momentu pêdu elektronów atomów umieszczonych w polu magnetycznym potrzebowa³a do¶wiadczalnego potwierdzenia. W 1920 roku (na kilka lat przed wprowadzeniem pojêcia spinu) Otto Stern i Walter Gerlach przygotowali eksperyment, w którym zaobserwowali t± w³asno¶æ elektronu.
Atomy srebra ze ¼ród³a, którym by³ piec z wrz±cym srebrem, przechodzi³y do pró¿ni, gdzie dziêki w±skim szczelinom by³a tworzona p³aska wi±zka tych atomów. Wi±zka ta nastêpnie wchodzi³a w obszar niejednorodnego pola magnetycznego i pada³a na p³ytê fotograficzn±. My¶l±c klasycznie spodziewamy siê otrzymaæ pojedynczy obraz wi±zki na p³ycie. Tymczasem wi±zka atomów przechodz±c przez niejednorodne pole magnetyczne uleg³a rozproszeniu, dziêki czemu na kliszy fotograficznej naukowcy otrzymali dwie rozdzielone linie.

    Zjawisko to mo¿na wyt³umaczyæ w³a¶nie przestrzenn± kwantyzacj± spinowego momentu pêdu.
    Elektrony w atomach roz³o¿one s± w taki sposób, ¿e w ka¿dej kolejnej parze elektronów wystêpuje jeden elektron o spinie skierowanym w górê i jeden o spinie skierowanym w dó³, tak ¿e ca³kowity spin takiej pary wynosi zero. W atomie srebra jednak na zewnêtrznej pow³oce znajduje siê pojedynczy elektron, którego spin nie jest "równowa¿ony" przez elektron ze spinem przeciwnym.
    Wiruj±cy elektron wytwarza pewien magnetyczny moment dipolowy (jest jakby malutkim magnesem). W polu magnetycznym dzia³a na dipol moment si³y, który obraca go w taki sposób, aby jego po³o¿enie by³o zgodne z kierunkiem pola B. W niejednorodnym polu magnetycznym oprócz momentu si³y obracaj±cej dipol, dzia³ na niego i inna si³a. Je¿eli dipol skierowany jest zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego to jest on wci±gany przez t± si³ê do obszaru silniejszego pola. Je¿eli natomiast dipol ustawiony jest przeciwnie do kierunku tego pola, jest przez t± si³ê wypychany z obszaru silniejszego pola.
    Tak wiêc atom srebra posiadaj±cy jeden elektron na zewnêtrznej orbicie mo¿e byæ w zale¿no¶ci od warto¶ci magnetycznej spinowej liczby kwantowej wci±gany, b±d¼ wypychany z obszaru silniejszego pola magnetycznego. Gdy spin elektronu wynosi +1/2 atom jest wypychany, gdy spin wynosi -1/2 atom jest wci±gany. Tak wiêc w czasie przechodzenia przez obszar niejednorodnego pola magnetycznego wi±zka atomów srebra zostaje rozszczepiona na dwie wi±zki. Ka¿da z tych wi±zek sk³ada siê z atomów, których zewnêtrzne elektrony maj± t± sam± warto¶æ spinu.
    W roku 1927 Phipps i Taylor przeprowadzili eksperyment podobny do do¶wiadczenia Sterna-Gerlacha. W tym przypadku jednak atomy srebra zosta³y zast±pione atomami wodoru. Tutaj równie¿ zaobserwowano rozszczepienie na dwie wi±zki.
    Pó¼niej badano równie¿ i inne atomy maj±ce na zewnêtrznej pow³oce pojedynczy elektron (mied¼, z³oto, sód, potas). Za ka¿dym razem otrzymywano na fotografii podwójny obraz wi±zki.
    W atomie co prawda nie tylko elektrony maj± spin. Spinem obdarzone s± równie¿ sk³adniki j±dra atomowego. Jednak proton i neutron maj± znacznie wiêksz± masê od elektronu (oko³o 1836 razy wiêksz±), a magnetyczny moment dipolowy cz±stki jest odwrotnie proporcjonalny do masy cz±steczki. Tak wiêc moment protonu i neutronu jest bardzo ma³y w stosunku do momentu atomu. Ten malutki dipol magnetyczny zosta³ zmierzony w pó¼niejszych do¶wiadczeniach przez Sterna, Frischa i Eastermana.