Продолжение описания опыта

С учётом вышеизложенного, читателям предлагается наиболее точный вариант описания этого опыта. На рисунке 20 приводится схема установки, усовершенствованной Штерном и Герлахом, позволившей им получить более тонкие пучки серебра и увидеть не только уширение линии, но и её разделение на две отдельные кривые [9]. Пучок атомов серебра выходил из электрически нагреваемой глиняной печи через круглое отверстие площадью l мм2в стальной вставке. Через 2,5 см от него установлена первая диафрагма с отверстием площадью 3·10-3мм2, которое отсекало крупные капли серебра и оставляло только небольшое количество атомов для их неспешного осаждения на пластине. Через 3,3 см после диафрагмы пучок проходил через щель длиною 0,8 мм и шириной от 0,03 до 0,04 мм. Обе диафрагмы были изготовлены из платиновой фольги. Отверстие щелевой диафрагмы располагалось в непосредственной близости от кромки южного полюса магнита и служило для корректировки направления пучка, чтобы луч шёл параллельно краю магнита на протяжении 3,5 см. Сразу же после магнита пучок атомов серебра встречал на своём пути стеклянную пластину, на которой он осаждался. Вся эта конструкция находилась внутри латунного ящика (толщина стенок 1 см) из которого откачали воздух до давления 10-5мм рт. ст.

Неоднородность магнитного поля вблизи острия магнита определялась непосредственно: путём измерения отталкивающей силы, действующей на маленькое висмутовое тело, а также измерением сопротивления висмутовой проволочки, натянутой параллельно острию клина.

Длительность экспозиции составляла до 8 часов без перерыва с включённым полем и 4,5 часа без него, поскольку луч серебра был очень тонок и для получения такой же толщины слоя осаждённого серебра, как в отсутствии поля, на каждую из расщеплённых линий требовалось в два раза больше времени. Есть информация, что след на стекле был такой тусклый, что его приходилось дополнительно «проявлять» осаждением дополнительного серебра из раствора [10].

Результаты эксперимента. На рисунке «Fig. 2» первоначальная фотография с 4,5 часовым временем облучения без магнитного поля; оптическое увеличение почти в 20 раз. Измерения следа на стекле с помощью окулярного микрометра дали следующие размеры: длина 1,1 мм, ширина в самом узком месте 0,06 мм, в самом широком месте – 0,10 мм (из-за неровности края пропускающей щели). Рисунок «Fig. 3» представляет собой изображение с 20-кратным оптическим увеличением восьмичасовой экспозиции с включённым магнитным полем. Это самое удачное изображение. Экспериментаторам понадобилось немного везения, чтобы выровнять диафрагмы и добиться столь идеальной симметричной картинки, поскольку нескольких сотых долей миллиметра уже было достаточно, чтобы опыт полностью не удался.



Интерпретация результата. В опыте были две диафрагмы с отверстием и щелью, от действия которых до экрана долетала только малая часть атомов серебра и получалась ровная полоска. При включении электромагнита горизонтальная линия расщеплялась на верхнюю и нижнюю. Полное расщепление мы наблюдаем лишь в случае с литием, а у серебра концы линии практически остались на месте и имелось отклонение только в средней части. В случае водорода эксперимент показал, что пучок также расщепляется на две компоненты. Это свидетельствует о наличии у атомов водорода момента импульса, равного 1/2 [7]. Для серебра проекция магнитного момента атома на направление поля получилась численно равна одному магнетону Бора (относительная погрешность определения не превышала 10%).

В книге [8, с. 290] указывается на странное обстоятельство: валентный электрон атомов из первой группы элементов таблицы Менделеева, находясь в основном s-состоянии, имеет орбитальное квантовое число, равное нулю. Однако в состоянии с l= 0 электрон не имеет момента импульса, как это следует из формулы квантования момента , где орбитальное квантовое число l = 0; 1; 2; ...; n-1. Орбитальный момент импульса электрона L и пропорциональный ему магнитный момент pm ориентированы перпендикулярно плоскости орбитали электрона (рис. 14) и направлены в противоположные стороны (т. к. направление момента импульса находится по правому винту относительно вектора скорости электрона, а магнитный момент – по правому винту, но относительно протекающего тока, который по определению течёт встречно движению электрона). Между векторами pm и L, существует следующая связь: , где me – масса электрона, е – модуль его заряда [8, с. 287]. Атомы вылетали из печки со средней тепловой скоростью порядка 100 м/с, соответствующей температуре испарения серебра. Если даже учесть, что при испарении атом переходит в возбужденное состояние, то это длится в среднем 10-8 секунд, затем атом возвращается в обычное состояние. Поэтому возникает серьёзный вопрос об истолковании результатов опытов Штерна и Герлаха: квантование какого момента импульса обнаружилось в этих опытах (если из L = 0 автоматически следует, что pm = 0)?

Для объяснения результата эксперимента нужно предположить, что у электрона, помимо орбитального момента импульса L и соответствующего ему магнитного момента, имеется собственный механический момент импульса, называемый спином электрона Ls, и соответствующий ему собственный магнитный момент. Предположение о существовании спина, официально опубликованное в печати, датируется 1925 годом [11]. В связи с рядом трудностей, накопившихся в атомной физике, молодые физики Уленбек и Гоудсмит дали спину электрона наглядное модельное истолкование, приписав электрону вращение вокруг своей оси. Анализируя строение оптических спектров щелочных металлов, они пришли к выводу о наличии у электро- на собственного механического момента, равного ħ/2 (соответственно, магнитное квантовое число ms= ±1/2), и назвали его спином (от английского слова spin – вращение). Спин – собственный момент количества движения микрочастицы, который не связан с движением частицы как единого целого. Он измеряется в единицах приведённой постоянной Планка ħ (величина ħ = h/(2π) называется постоянной Дирака) и может быть целым (0, 1, 2,…) или полуцелым (1/2, 3/2,…). Молодые физики исходили из грубой классической модели электрона в виде вращающегося заряженного шарика. К сожалению, основоположники квантовой механики отрицательно отнеслись к такому умозаключению. Они настаивали на том, что наглядное модельное представление о механическом моменте импульса тут неприменимо и не выдерживает критики, а спин – это чисто квантовое свойство частиц (как заряд и масса). Позже, с развитием квантовой механики, Дираку удалось показать, что существование спина вытекает из полученного им релятивистского волнового уравнения. Без релятивистских формул можно доказать, что представление о спине, как о вращении, приводит к противоречию с теорией относительности. Оказывается, что для того, чтобы вращающийся вокруг своей оси электрон-шарик приобрёл магнитный момент, равный одному магнетону Бора, линейная скорость на поверхности шарика должна в ≈200 раз превосходить скорость света в вакууме. В книге [8, с. 291] приводится расчёт для электрона-шарика с радиусом r. Величина «классического» радиуса электрона оценивается из равенства потенциальной энергии заряженного шарика его собственной энергии: . Из этой формулы следует значение классического радиуса электрона: r = e2/(4πε0mec2) = 2,81·10-15м. Если шарик радиусом r с моментом инерции J = (2/5)mer2вращается с угловой скоростью ω = υ/r‚ то, приравнивая момент импульса к спину электрона, получим , где υ – линейная скорость на экваторе шарика. Простая оценка показывает, что при этом υ = 5ħ/(4mer) = 5,15·1010м/с = 172с.

Как пояснить результаты опыта с точки зрения эфиродинамики? Взаимодействие магнита и атомов можно безо всяких формул наглядно представить в виде перепадов давления при встрече разнонаправленных потоков эфира и сил, возникающих при этом. Так как новая модель атома будет рассматриваться после изложения всех предпосылок, приведших к ней, в этом раз- деле ограничимся описанием взаимодействия одного непарного электрона на последней орбит- тали и внешнего магнитного поля. Электрон является уплотнением в электронной оболочке атома и, находясь на s-орбитали, окружает атом присоединённым вихрем эфира (рис. 9), который растекается по всем нижележащим электронам, экранируя их от поля магнита. На рисунке 21 показаны атомы под южным полюсом магнита, около каждого разной длиной стрелок условно изображена локальная напряжённость поля. Непараллельностью магнитных линий по сравнению с ослаблением поля в пределах одного атома можно пренебречь. Зона пониженного давления возле каждого атома обозначена жёлтым цветом, повышенного – розовым. Естествен- но, чем ближе к магниту, тем больше сила, вызывающая разворот атомов «по полю» (рис. 21 б) и тем сильнее поляризованный атом к нему притягивается. Поэтому на фотографии для серебра у одной линии виден «хвостик», а у второй линии – отталкивания – на этом участке заметно уменьшение плотности осаждённых атомов. Обратите внимание на атом (21 б) – он полностью поляризовался в поле магнита и испытывает на себе действие одновременно двух сил: притяжения магнитного поля и силы Магнуса , поскольку поступательное движение совмещено с вращательным. Именно от вращения атома и действия силы «хвостик» на фотографии получается загнутым в сторону – туда, куда должна отклоняться отрицательно заряженная частица, движущаяся в поле магнита (рис. 10).

Из-за перепада плотности поля под действием силы один из нарисованных атомов (21 б) притянулся и один оттолкнулся (д), чувствуя близость полюсного наконечника. Но четыре атома, ось вращения электронов в которых перпендикулярна линиям поля магнита, не смогут полноценно провзаимодействовать с неоднородным полем. Однако, учитывая спин электрона (направление его магнитного поля) и направление вектора движения атомов (а, б, в и е), вполне логично предположить, что здесь вступает в действие сила Магнуса (за обозначено направление движения «набегающей» среды относительно атома при его движении). На другие атомы сила тоже подействовала, и внимательный читатель может проверить (приложив линейку к экрану), что горизонтальная длина линии до и после расщепления пучка различаются: при включении поля она увеличилась примерно на столько же, на сколько разошлись пучки по вертикали. Но если в случае с электроном эта сила делала эксперимент невозможным, то более тяжёлый атом серебра медленнее поляризовался в поле и смещался не так значительно. Случай, когда электрон находится строго спереди (а) или сзади (г) летящего атома, считается довольно редким, а само такое положение в магнитном поле – неустойчивым. До попадания в поле само движение атома от печки до магнита приводит к его частичной поляризации: чтобы направление тороидальных потоков оболочки не испытывало сопротивления среды, электрон должен расположиться позади ядра (г). Скорее всего, за время пролёта между полюсами (порядка 0,35- 0,5 мс) положение электрона относительно ядра меняется. Если предположить, что атом переворачивается очень часто, то разделения на две линии не произойдёт, поскольку времена пребывания «вектором вверх» и «вектором вниз» в пределе сравняются. Разделения надвое также не произошло бы, если бы атомы мгновенно выстроились строго вдоль поля магнита, как это делают отдельные частицы. Поэтому остаётся один вариант: непарный электрон в атоме серебра более половины времени проводит либо в верхнем «полушарии», либо в нижнем, а на «экваторе» долго не задерживается. Таким образом, эфиродинамическая модель атома не только объясняет причины отклонения атомов в эксперименте, но и отвечает на вопрос о наличии загнутого хвостика на фотографии (под южным полюсом магнита), о существовании которого в большинстве переводов исходной статьи скромно умалчивается.

 






Дата добавления: 2018-01-04; просмотров: 450;


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: 0.006 сек.