Досліди Герлаха і Штерна

У 1921 році О. Штерн і В. Герлах поставили досліди, метою яких було виміряти магнітні моменти Р_m атомів різних хімічних елементів. Момент імпульсу атома і його магнітний момент дорівнюють сумарним моментам електронів, оскільки магнітні моменти ядер мають набагато менше значення, ніж магнітні моменти електронів. Момент імпульсу атома і його магнітний момент збігаються із сумарними моментами валентних електронів, оскільки моменти електронів замкнених оболонок компенсуються. У елементів першої групи періодичної системи Менделєєва (срібла, натрію, літію та інших) є один валентний оптичний електрон. Отже, момент імпульсу і магнітний момент таких атомів збігаються з моментом імпульсу цього електрона. Таким чином, для визначення орбітального і магнітного моментів одного електрона досліди мали бути поставлені з атомами, які мають один валентний електрон на зовнішній оболонці.

Мета дослідів полягала у вимірюванні сили, яка діє на атом у неоднорідному магнітному полі:

,

де – індукція магнітного поля, спрямованого вздовж осі Z і неоднорідного тільки по осі Z, − градієнт індукції магнітного поля.

Виміривши силу і знаючи , можна обчислити проекцію магнітного моменту , електрона.

Установка складається з наступних компонентів (рис. 2.17):

К − піч, з якої випаровуються атоми срібла;

N, S − клиноподібний магніт, що створює неоднорідне магнітне поле;

А − екран з фотопластини.

На рис. 9.4. зображено схему досліду. У трубці, в якій створено вакуум порядку мм. рт. ст., розміщено срібну кульку К – джерело пучка атомів. Срібна кулька нагрівається до високої температури й атоми вилітають з її поверхні із середньою швидкістю 100 м/с. Із цих атомів за допомогою діафрагм вирізується вузький пучок, який проходить через сильне і неоднорідне магнітне поле, направлене перпендикулярно до пучка. Для створення великої неоднорідності магнітного поля було застосовано електромагніт SN спеціальної форми. Проходячи через електромагніт, атоми срібла потрапляють на фотопластинку А.

Якби момент імпульсу атома і його магнітний момент мали довільні напрями в магнітному полі, то на фотопластинці утворився б неперервний розподіл потраплянь атомів з більшою щільністю розподілу всередині пластинки і з меншою біля її країв.

На атоми не діє сила Лоренца (атом електрично нейтральний), орбітальний механічний та орбітальний магнітний моменти дорівнюють 0, тобто даний пучок атомів розщеплюватись не повинен.

Проте досліди, поставлені зі сріблом, літієм, воднем та іншими хімічними елементами, дали зовсім інші результати. Тобто всі атоми відхилялися в магнітному полі у два боки, які відповідають двом можливим орієнтаціям магнітного моменту в зовнішньому полі.

Дослід доводить наявність в електроні власного моменту імпульсу та власного магнітного моменту (спільний магнітний момент квантується).

Атоми срібла мають 1 електрон в s -стані (магнітне квантове число дорівнює 0). Звідси слідує, що , а також .

Величина називається магнетоном Бора,

.

З рівняння 2.5 випливає, що магнітний момент атома може дорівнювати магнетонам Бора. Для срібла Штерн і Герлах дістали, що проекція магнітного моменту атома на напрям магнітного поля дорівнює одному магнетону Бора.

Отже, досліди Штерна і Герлаха підтвердили не тільки просторове квантування моменту імпульсу і магнітного моменту, а й експериментально довели, що магнітні моменти електронів і атомів складаються з деякої кількості «елементарних моментів», тобто мають дискретну природу, пов'язану з квантуванням моменту імпульсу. Одиницею вимірювання магнітних моментів електронів і атомів є магнетон Бора.

Власний магнітний момент електрона дорівнює одному магнетону Бора:

.

Спін електрона квантується за законом:

, (2.6)

де s – спінове квантове число.

Із дослідів Штерна і Герлаха випливає, що для спіну електрона існує тільки дві орієнтації в магнітному полі:

.

Валентний електрон атомів першої групи таблиці Менделєєва перебуває у стані з l = 0. Тому момент імпульсу всього атома дорівнює спіну електрона. Саме знайдене просторове квантування моменту імпульсу в магнітному полі таких атомів і довело існування у спіна лише двох орієнтацій у зовнішньому полі.

Модуль спіна електрона можна обчислити за формулою (2.5):

.

За аналогією з просторовим квантуванням орбітального моменту імпульсу електрона проекція вектора власного моменту імпульсу на напрям зовнішнього магнітного поля є квантованою величиною і визначається за формулою:

,

де – магнітне спінове квантове число.

Таким чином, проекція спінового моменту імпульсу електрона на напрям магнітного поля може набувати тільки двох значень:

.

Відношення власного магнітного моменту до спінового моменту імпульсу електрона називається спіновим гіромагнітним співвідношенням:

.

Поиск по сайту: