Опыт Штерна и Герлаха

Чтобы продолжить рассуждать о вращении частиц, необходимо вспомнить историю исследования их электромагнитных свойств. Есть один опыт, интерпретация которого интересна с точки зрения эфиродинамики, поскольку позволяет оценить скорость спинового вращения электрона. Рассмотрим изолированный атом, не подверженный внешним воздействиям. Согласно представлениям классической физики (в модели Бора-Резерфорда), электроны в нём движутся по некоторым замкнутым орбиталям, что эквивалентно замкнутым контурам тока. Поэтому магнитные свойства любого атома сводятся к свойствам суммарного поля, создаваемого электронными микротоками. Магнитное поле кольцевого тока условно рассматривают как «магнитный диполь», по аналогии с электрическим диполем, причём северным полюсом называют ту сторону плоскости витка, из которой линии магнитной индукции выходят, а южным – ту сторону, в которую они входят. Произведение тока I на площадь S витка называют магнитным моментом витка с током: pm= IS. Магнитный момент – это векторная величина, направленная вдоль оси витка с током в ту же сторону, что и индукция В магнитного поля

[6, с. 199]. Вектор pmопределяет взаимодействие между контуром тока и внешним магнитным полем. Например, рамка с током всегда устанавливается во внешнем однородном магнитном поле в таком положении, при котором её магнитный момент pmсовпадает с направлением вектора внешнего поля В. Это положение является устойчивым, а магнитный поток сквозь контур максимален. В противном случае возникают силы, возвращающие рамку в положение равновесия. Таким способом можно определять направление тока в рамке, зная полярность магнита. В опыте, приводимом в книге, вблизи одного из полюсов полосового магнита на длинной нити подвешен виток медной проволоки. Если тока в витке нет, то его магнитный момент pm= IS = 0. При пропускании через проволоку электрического тока виток поворачивается вокруг оси нити так, что его плоскость оказывается перпендикулярной плоскости чертежа. Затем виток притягивается к полюсу магнита и занимает положение, изображенное на рисунке 13 пунктиром.



Это говорит о том, что на «магнитный диполь», находящийся в неоднородном магнитное поле, помимо механического момента, стремящегося установить диполь в направлении внешнего поля, действует результирующая сила , втягивающая виток в область более сильного поля. Последнее выражение может быть представлено в виде формулы , где - проекции вектора в декартовой системе координат. Именно эта сила вызывает притяжение движущихся в проводнике электронов к полюсу магнита.

Магнитный момент pmэлектрического тока, вызванного движением электрона по орбитали, называется орбитальным магнитным моментом электрона. Пусть электрон в атоме движется со скоростью υ по круговой орбитали радиуса r. Направления движения электрона и тока Iуказаны на рисунке 14 стрелками. Согласно определению магнитного момента тока, орбитальный магнитный момент электрона численно равен pm= IS = Iπr2, где S – площадь орбитали. Если теперь направить внешнее поле В вдоль оси z, а атомный пучок пропустить перпендикулярно оси z, то атомы с нечётным числом электронов станут отклоняться полем в плоскости xy, при этом действие составляющих силы FFyприведёт к уширению следа от пучка на экране от точечного пятна до сплошной линии. Но остаётся ещё одна компонента силы .

При этом, если пучок атомов пролетает на равном удалении от одинаковых по геометрии полюсов магнита (поле практически однородно), то силы притяжения к обоим полюсам уравновесят друг друга и не будет иной силы, кроме силы Лоренца , влияющей на траекторию полёта атомов. Но если атом попадает в неоднородное поле, то его взаимодействие с магнитом будет определяться направлением и модулем вектора магнитного момента непарного электрона.

В 1920 г. Капица и Семёнов опубликовали в Журнале Русского физико-химического общества статью под названием «О возможности экспериментального определения магнитного момента атома», в которой было предложено пропускать молекулярный или атомный пучок сквозь неоднородное магнитное поле. Приведённые в этой статье расчёты показали, что опыт такого рода вполне реален – в магнитном поле с неоднородностью ∂B/∂z = 3 · 104Гс/см

(3 Тл/см) отклонение должно составлять порядка 2 см. Не зная о работе Капицы и Семёнова, такой эксперимент провели в 1922 г. Штерн и Герлах [7, с. 86-87]. Сама идея эксперимента в различных вариантах применяется сегодня для определения магнитных моментов частиц, ядер и атомов. Есть даже памятная доска этим двум учёным (рис. 15):

Следует отметить, что прямой опыт Штерна-Герлаха на электронах невозможен ввиду их малой массы, поскольку смещение электронного пучка под действием сила Лоренца сравнимо со спиновым расщеплением. Как уже говорилось, в неоднородном поле на атомы будет действовать сила , что приведёт к отклонению движущихся частиц вдоль оси z. Если магнитные моменты электронов в атоме не имеют выделенной ориентации в пространстве (нет поляризации), то на экране (стекле фотопластинки) появится широкая полоса, тянущаяся от z1 до z2. Если же поляризация есть, то между следами, оставленными в окрестностях точек z1 и z2, будет пробел – ни один атом не попадёт в эту область. В 1921-22 годах Штерном и Герлахом были начаты эксперименты. Необходимо было изготовить и настроить прецизионное оборудование. Основная трудность состояла в том, чтобы достигнуть настолько большой неоднородности магнитного поля, чтобы она сказывалась на расстояниях порядка размеров атома. Необходимая неоднородность была достигнута за счёт применения сильного электромагнита с полюсными наконечниками специальной формы. Для опытов выбирались элементы из первой группы таблицы Менделеева, поскольку именно у них механические и магнитные моменты всех электронов, кроме одного, взаимно скомпенсированы. Поскольку магнитный момент ядра имеет значительно меньшую величину (в 2000 раз меньше), чем магнитный момент электронов, считалось, что магнитный момент атомов с одним валентным электроном совпадает с моментом электрона.

Несмотря на известность упомянутого выше опыта, просто так дать ссылку на него нельзя, поскольку точность описания в литературе оставляет желать лучшего. Оригиналы статей на немецком языке в бесплатном доступе найдены не были, но в Google-книгах удалось отыскать сканированные копии нужных страниц статьи [9]. Также во всемирной паутине нашлась фотография важной страницы оригинального оттиска, вот она (рис. 16):

Перевод абзацев, соседствующих с рисунками «Fig. 4-5»:

«Результаты двух других испытаний приведены схематически на рисунках Fig. 4а и Fig. 4b. На

Fig. 4а серебряная струя намеренно протекала чуть дальше от края, чем в эксперименте на Fig. 3, здесь щелевая диафрагма не была полностью «заполнена».

На рисунке Fig. 4b на той же пластине проходило осаждение в экспериментах с полем и без него; луч прошёл очень близко к заточенной кромке, но был смещён в направлении, перпендикулярном к полю, примерно на 0,3 мм (Fig. 4с). Что же касается ясности полученных образов, полного расщепления и всех других деталей, они воспроизводят результат, показанный на рисунке Fig. 3» (прим. авт.: на Fig. 4с, увеличенное изображение которого дано на рисунке 17, показано смещение относительно угла магнита на 0,8 мм, а не на 0,3 мм, как сообщается в тексте).

Целью изучения установки для эксперимента было установление истинности расположения элементов в ней и полученных результатов. Итак, какие же несоответствия между раз- личными печатными и Интернет-источниками были найдены?

1) Магниты в большинстве случаев изображены как прямоугольники с разнообразными вариантами профилей полюсных наконечников и их относительного расположения, а полюсы магнитов чудесным образом меняются местами в половине публикаций (например, на памятной доске и на сайте Wikipedia сверху – северный полюс). На фотографии разворота книги видно, что верхний магнит (рисунок «Fig. 5»), сточенный на клин, являлся южным полюсом. Из Google-книги [9] мы узнаём, что было на соседних страницах. На 349-ой по-немецки написано: «Die Öffnung der Spaltblende liegt unmittelbar über der Schneide S (vgl. hierzu Fig. 1)...», что переводится как «Отверстие щелевой диафрагмы находится непосредственно над кромкой S (см. Fig. 1)...». На этом рисунке приводится и сам вид профиля полюсных наконечников. Так что найденное в Интернет фото тех самых полюсных наконечников магнитов следует подписать так (рис. 18):

2) На 352-ой странице идёт продолжение нумерованного списка (в сокращении): «c) Die Anziehung ist etwas stärker als die Abstoßung. Fig. 3 und 4b zeigen die ganz beträchtlich erhöhte Ab- lenkung direkt an der Schneide des einen Magnetpoles. In unmittelbarer Nähe der Schneide wird die Anziehung sehr groß, so daß die zur Schneide zeigende scharf zugespitzte Ausbuchtung entsteht». В переводе это звучит как: «с) Притяжение немного сильнее, чем отталкивание. Рисунки Fig. 3 и Fig. 4b показывают довольно значительное увеличение отклонения на краю полюса магнита. В непосредственной близости от кромки притяжение очень велико, поэтому вблизи неё возникает выступ». Из этого следует, что фотографии, сделанные через окуляр микроскопа (рисунки Fig. 2-3 со стр. 350 журнала) повёрнуты на 90° по часовой стрелке, на них «верх» находится справа.

3) В литературе встречаются разные результаты опыта: на экране (стеклянной пластинке) видны то два точечных пятна, то две линии, то подобие ромба. Из всех художественных ил- люстраций опыта настоящих фотографий всего две: для серебра (рис. 19а) и лития (рис. 19б), что немного странно, учитывая фундаментальность опыта. Неужели за почти век, прошедший с начала самых первых опытов, никто не повторил их и не сделал более качественные фотографии? Кстати говоря, фотографию для атомов серебра пришлось зеркально перевернуть, чтобы цифры на ней выглядели естественно, как при непосредственном рассматривании в окуляр (при этом «хвостик» получится загнутым влево).

 






Дата добавления: 2018-01-04; просмотров: 801;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.009 сек.